Ageing is characterized by a progressive loss of physiological integrity, leading to impaired function and increased vulnerability to death1. Despite rapid advances over recent years, many of the molecular and cellular processes that underlie the progressive loss of healthy physiology are poorly understood2. To gain a better insight into these processes, here we generate a single-cell transcriptomic atlas across the lifespan of Mus musculus that includes data from 23 tissues and organs. We found cell-specific changes occurring across multiple cell types and organs, as well as age-related changes in the cellular composition of different organs. Using single-cell transcriptomic data, we assessed cell-type-specific manifestations of different hallmarks of ageing-such as senescence3, genomic instability4 and changes in the immune system2. This transcriptomic atlas-which we denote Tabula Muris Senis, or 'Mouse Ageing Cell Atlas'-provides molecular information about how the most important hallmarks of ageing are reflected in a broad range of tissues and cell types.

Essential gene functions underpin the core reactions required for cell viability, but their contributions and relationships are poorly studied in vivo. Using CRISPR interference, we created knockdowns of every essential gene in Bacillus subtilis and probed their phenotypes. Our high-confidence essential gene network, established using chemical genomics, showed extensive interconnections among distantly related processes and identified modes of action for uncharacterized antibiotics. Importantly, mild knockdown of essential gene functions significantly reduced stationary-phase survival without affecting maximal growth rate, suggesting that essential protein levels are set to maximize outgrowth from stationary phase. Finally, high-throughput microscopy indicated that cell morphology is relatively insensitive to mild knockdown but profoundly affected by depletion of gene function, revealing intimate connections between cell growth and shape. Our results provide a framework for systematic investigation of essential gene functions in vivo broadly applicable to diverse microorganisms and amenable to comparative analysis.

Gram-negative bacteria possess a complex cell envelope that consists of a plasma membrane, a peptidoglycan cell wall and an outer membrane. The envelope is a selective chemical barrier1 that defines cell shape2 and allows the cell to sustain large mechanical loads such as turgor pressure3. It is widely believed that the covalently cross-linked cell wall underpins the mechanical properties of the envelope4,5. Here we show that the stiffness and strength of Escherichia coli cells are largely due to the outer membrane. Compromising the outer membrane, either chemically or genetically, greatly increased deformation of the cell envelope in response to stretching, bending and indentation forces, and induced increased levels of cell lysis upon mechanical perturbation and during L-form proliferation. Both lipopolysaccharides and proteins contributed to the stiffness of the outer membrane. These findings overturn the prevailing dogma that the cell wall is the dominant mechanical element within Gram-negative bacteria, instead demonstrating that the outer membrane can be stiffer than the cell wall, and that mechanical loads are often balanced between these structures. The outer membrane of Gram-negative bacteria is shown to be at least as stiff as the cell wall, and this property enables it to protect cells from mechanical pertubations.

Coordinating cell wall synthesis and cell division Most bacteria are protected by peptidoglycan cell walls, which must be remodeled to split the cell. Cell division requires the tubulin homolog FtsZ, a highly conserved cytoskeletal polymer that specifies the future site of division. Bisson-Filho et al. and Yang et al. found that the dynamic treadmilling of FtsZ filaments controls both the location and activity of the associated cell wall synthetic enzymes. This creates discrete sites of cell wall synthesis that circle around the division plane to divide the cell. Science , this issue p. 739 , p. 744

Ageing is the single greatest cause of disease and death worldwide, and understanding the associated processes could vastly improve quality of life. Although major categories of ageing damage have been identified—such as altered intercellular communication, loss of proteostasis and eroded mitochondrial function1—these deleterious processes interact with extraordinary complexity within and between organs, and a comprehensive, whole-organism analysis of ageing dynamics has been lacking. Here we performed bulk RNA sequencing of 17 organs and plasma proteomics at 10 ages across the lifespan of Mus musculus, and integrated these findings with data from the accompanying Tabula Muris Senis2—or ‘Mouse Ageing Cell Atlas’—which follows on from the original Tabula Muris3. We reveal linear and nonlinear shifts in gene expression during ageing, with the associated genes clustered in consistent trajectory groups with coherent biological functions—including extracellular matrix regulation, unfolded protein binding, mitochondrial function, and inflammatory and immune response. Notably, these gene sets show similar expression across tissues, differing only in the amplitude and the age of onset of expression. Widespread activation of immune cells is especially pronounced, and is first detectable in white adipose depots during middle age. Single-cell RNA sequencing confirms the accumulation of T cells and B cells in adipose tissue—including plasma cells that express immunoglobulin J—which also accrue concurrently across diverse organs. Finally, we show how gene expression shifts in distinct tissues are highly correlated with corresponding protein levels in plasma, thus potentially contributing to the ageing of the systemic circulation. Together, these data demonstrate a similar yet asynchronous inter- and intra-organ progression of ageing, providing a foundation from which to track systemic sources of declining health at old age. Bulk RNA sequencing of organs and plasma proteomics at different ages across the mouse lifespan is integrated with data from the Tabula Muris Senis, a transcriptomic atlas of ageing mouse tissues, to describe organ-specific changes in gene expression during ageing.

Bacterial cells possess multiple cytoskeletal proteins involved in a wide range of cellular processes. These cytoskeletal proteins are dynamic, but the driving forces and cellular functions of these dynamics remain poorly understood. Eukaryotic cytoskeletal dynamics are often driven by motor proteins, but in bacteria no motors that drive cytoskeletal motion have been identified to date. Here, we quantitatively study the dynamics of the Escherichia coli actin homolog MreB, which is essential for the maintenance of rod-like cell shape in bacteria. We find that MreB rotates around the long axis of the cell in a persistent manner. Whereas previous studies have suggested that MreB dynamics are driven by its own polymerization, we show that MreB rotation does not depend on its own polymerization but rather requires the assembly of the peptidoglycan cell wall. The cell-wall synthesis machinery thus either constitutes a novel type of extracellular motor that exerts force on cytoplasmic MreB, or is indirectly required for an as-yet-unidentified motor. Biophysical simulations suggest that one function of MreB rotation is to ensure a uniform distribution of new peptidoglycan insertion sites, a necessary condition to maintain rod shape during growth. These findings both broaden the view of cytoskeletal motors and deepen our understanding of the physical basis of bacterial morphogenesis.

Genomic technologies have significantly advanced our understanding of the composition and diversity of host-associated microbial populations. However, their spatial organization and functional interactions relative to the host have been more challenging to study. Here we present a pipeline for the assessment of intestinal microbiota localization within immunofluorescence images of fixed gut cross-sections that includes a flexible software package, BacSpace, for high-throughput quantification of microbial organization. Applying this pipeline to gnotobiotic and human microbiota-colonized mice, we demonstrate that elimination of microbiota-accessible carbohydrates (MACs) from the diet results in thinner mucus in the distal colon, increased proximity of microbes to the epithelium, and heightened expression of the inflammatory marker REG3β. Measurements of microbe-microbe proximity reveal that a MAC-deficient diet alters monophyletic spatial clustering. Furthermore, we quantify the invasion of Helicobacter pylori into the glands of the mouse stomach relative to host mitotic progenitor cells, illustrating the generalizability of this approach.

The intestinal microbiota provides colonization resistance against pathogens, limiting pathogen expansion and transmission. These microbiota-mediated mechanisms were previously identified by observing loss of colonization resistance after antibiotic treatment or dietary changes, which severely disrupt microbiota communities. We identify a microbiota-mediated mechanism of colonization resistance against Salmonella enterica serovar Typhimurium (S. Typhimurium) by comparing high-complexity commensal communities with different levels of colonization resistance. Using inbred mouse strains with different infection dynamics and S. Typhimurium intestinal burdens, we demonstrate that Bacteroides species mediate colonization resistance against S. Typhimurium by producing the short-chain fatty acid propionate. Propionate directly inhibits pathogen growth in vitro by disrupting intracellular pH homeostasis, and chemically increasing intestinal propionate levels protects mice from S. Typhimurium. In addition, administering susceptible mice Bacteroides, but not a propionate-production mutant, confers resistance to S. Typhimurium. This work provides mechanistic understanding into the role of individualized microbial communities in host-to-host variability of pathogen transmission.

In bacterial cells, the peptidoglycan cell wall is the stress-bearing structure that dictates cell shape. Although many molecular details of the composition and assembly of cell-wall components are known, how the network of peptidoglycan subunits is organized to give the cell shape during normal growth and how it is reorganized in response to damage or environmental forces have been relatively unexplored. In this work, we introduce a quantitative physical model of the bacterial cell wall that predicts the mechanical response of cell shape to peptidoglycan damage and perturbation in the rod-shaped Gram-negative bacterium Escherichia coli . To test these predictions, we use time-lapse imaging experiments to show that damage often manifests as a bulge on the sidewall, coupled to large-scale bending of the cylindrical cell wall around the bulge. Our physical model also suggests a surprising robustness of cell shape to peptidoglycan defects, helping explain the observed porosity of the cell wall and the ability of cells to grow and maintain their shape even under conditions that limit peptide crosslinking. Finally, we show that many common bacterial cell shapes can be realized within the same model via simple spatial patterning of peptidoglycan defects, suggesting that minor patterning changes could underlie the great diversity of shapes observed in the bacterial kingdom.

Significance Across all kingdoms of life, maintaining the correct cell shape is critical for behaviors such as sensing, motility, surface attachment, and nutrient acquisition. Maintaining proper shape requires cellular-scale coordination of proteins and feedback systems that enable responses that correct local morphological perturbations. Here, we demonstrate that the MreB cytoskeleton in Escherichia coli preferentially localizes to regions of negative curvature, directing growth away from the poles and actively straightening locally curved regions of the cell. Moreover, our biophysical simulations of curvature-biased growth suggest that cell wall insertion causes surface deformations that could be responsible for the circumferential motion of MreB. Taken together, our work demonstrates that MreB’s local orchestration of persistent, bursty growth enables robust, uniform growth at the cellular scale.