Biological age (BA) has been proposed to evaluate the aging status instead of chronological age (CA). Our study shows evidence that there might be multiple "clocks" within the whole-body system: systemic aging drivers/clocks overlaid with organ/tissue-specific counterparts. We utilize multi-omics data, including clinical tests, immune repertoire, targeted metabolomic molecules, gut microbiomes, physical fitness examinations, and facial skin examinations, to estimate the BA of different organs (e.g., liver, kidney) and systems (immune and metabolic system). The aging rates of organs/systems are diverse. People's aging patterns are different. We also demonstrate several applications of organs/systems BA in two independent datasets. Mortality predictions are compared among organs' BA in the dataset of the United States National Health and Nutrition Examination Survey. Polygenic risk score of BAs constructed in the Chinese Longitudinal Healthy Longevity Survey cohort can predict the possibility of becoming centenarian.

Abstract Global profile of gene expression at single-cell resolution remains to be determined for primates. Using a recently developed technology (“Stereo-seq”), we have obtained a comprehensive single-cell spatial transcriptome map at the whole-brain level for cynomolgus monkeys, with ∼600 genes per cell for 10 μm-thick coronal sections (up to 15 cm 2 in size). Large-scale single-nucleus RNA-seq analysis for ∼1 million cells helped to identify cell types corresponding to Stereo-seq gene expression profiles, providing a 3-D cell type atlas of the monkey brain. Quantitative analysis of Stereo-seq data revealed molecular fingerprints that mark distinct neocortical layers and subregions, as well as domains within subcortical structures including hippocampus, thalamus, striatum, cerebellum, hypothalamus and claustrum. Striking whole-brain topography and coordinated patterns were found in the expression of genes encoding receptors and transporters for neurotransmitters and neuromodulators. These results pave the way for cellular and molecular understanding of organizing principles of the primate brain.

Antisense oligonucleotides (ASOs) are an emerging class of drugs that target RNAs. Current ASO designs strictly follow the rule of Watson-Crick base pairing along target sequences. However, RNAs often fold into structures that interfere with ASO hybridization. Here we developed a structure-based ASO design method and applied it to target severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2). Our method makes sure that ASO binding is compatible with target structures in three-dimensional (3D) space by employing structural design templates. These 3D-ASOs recognize the shapes and hydrogen bonding patterns of targets via tertiary interactions, achieving enhanced affinity and specificity. We designed 3D-ASOs that bind to the frameshift stimulation element and transcription regulatory sequence of SARS-CoV-2 and identified lead ASOs that strongly inhibit viral replication in human cells. We further optimized the lead sequences and characterized structure-activity relationship. The 3D-ASO technology helps fight coronavirus disease-2019 and is broadly applicable to ASO drug development.

The structural design of semiconductor photocatalyst is a key factor to achieve high-efficient dye wastewater purification, in which the common drawbacks of weak redox kinetics, fast carrier recombination and insufficient optical response should be addressed, but still challenging. Herein, using two-step hydrothermal/solvothermal process, a direct Z-scheme heterostructured photocatalyst is newly constructed by coupling Cu2ZnSnS4 (CZTS) and BiOBr (BOB) nanosheets. Under the synergistic action of the narrow-gap photosensitive characteristics of CZTS and BOB's intrinsic interlayered electric field, such Z-scheme CZTS/BOB can possess significantly enhanced photocatalytic activity for photo-degrading methyl orange, having the highest degradation efficiency of up to 99% within 40 min with the degradation rate of 0.0907 min−1, which is about 3.3 and 37.8 times higher compared with the bare BOB (0.0273 min−1) and CZTS (0.0024 min−1), respectively. Through detailed analysis, such direct Z-scheme heterostructures can facilitate to broaden visible light response, efficiently separate photogenerated carriers, inhibit recombination and enhance the redox capacity as well, thus contributing to the improved photocatalytic efficiency. This study might provide a new idea for the construction of BOB-based high efficiency catalysts.

Abstract Quantitative proteomics is an indispensable tool in life science research. However, there is a lack of reference materials for evaluating the reproducibility of label-free liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS)-based measurements among different instruments and laboratories. We developed the Quartet as a proteome reference material with built-in truths, and distributed the same aliquots to 15 laboratories with nine conventional LC-MS/MS platforms across six cities in China. Relative abundance of over 12,000 proteins on 816 MS files were obtained and compared for reproducibility among the instruments and laboratories to ultimately generate proteomics benchmark datasets. There was a wide dynamic range of proteomes spanning ~7 orders of magnitude (10 1 –10 8 copies/cell), and the injection order had marked effects on quantitative instead of qualitative. Overall, the Quartet offers valuable standard materials and data resources for improving the quality control of proteomic analyses as well as the reproducibility and reliability of research findings.

This paper presents a deep learning assisted synthesis approach for direct end-to-end generation of RF/mm-wave passive matching network with 3D EM structures. Different from prior approaches that synthesize EM structures from target circuit component values and target topologies, our proposed approach achieves the direct synthesis of the passive network given the network topology from desired performance values as input. We showcase the proposed synthesis Neural Network (NN) model on an on-chip 1:1 transformer-based impedance matching network. By leveraging parameter sharing, the synthesis NN model successfully extracts relevant features from the input impedance and load capacitors, and predict the transformer 3D EM geometry in a 45nm SOI process that will match the standard 50Ω load to the target input impedance while absorbing the two loading capacitors. As a proof-of-concept, several example transformer geometries were synthesized, and verified in Ansys HFSS to provide the desired input impedance.

Abstract Neuropathic pain is a leading cause of high impact pain, is often disabling and is poorly managed by current therapeutics. Here we focused on a unique group of neuropathic pain patients undergoing thoracic vertebrectomy where the DRG is removed as part of the surgery allowing for molecular characterization and identification of mechanistic drivers of neuropathic pain independently of preclinical models. Our goal was to quantify whole transcriptome RNA abundances using RNA-seq in pain-associated human DRGs from these patients, allowing comprehensive identification of molecular changes in these samples by contrasting them with non-pain associated DRGs. We sequenced 70 human DRGs, including over 50 having mRNA libraries with neuronal mRNA. Our expression analysis revealed profound sex differences in differentially expressed genes including increase of IL1B , TNF , CXCL14 , and OSM in male and including CCL1 , CCL21 , PENK and TLR3 in female DRGs associated with neuropathic pain. Co-expression modules revealed enrichment in members of JUN-FOS signaling in males, and centromere protein coding genes in females. Neuro-immune signaling pathways revealed distinct cytokine signaling pathways associated with neuropathic pain in males (OSM, LIF, SOCS1) and females (CCL1, CCL19, CCL21). We validated cellular expression profiles of a subset of these findings using RNAscope in situ hybridization. Our findings give direct support for sex differences in underlying mechanisms of neuropathic pain in patient populations.

Abstract Mitochondrial stress triggers a response in the cell’s mitochondria and nucleus, but how these stress responses are coordinated in vivo is poorly understood. Here, we characterize a family with myopathy caused by a dominant p.G58R mutation in the mitochondrial protein CHCHD10. To understand the disease etiology, we developed a novel knock-in mouse model and found that mutant CHCHD10 aggregates in affected tissues, applying a toxic protein stress to the inner mitochondrial membrane. Unexpectedly, survival of CHCHD10 knock-in mice depended on a protective stress response mediated by OMA1. The OMA1 stress response acted both locally within mitochondria, inhibiting mitochondrial fusion, and signaled outside the mitochondria, activating the integrated stress response. We additionally identified an isoform switch in the terminal complex of the electron transport chain as a novel component of this response. Our results demonstrate that OMA1 is essential for neonatal survival conditionally in the setting of inner mitochondrial membrane stress, coordinating local and global stress responses to reshape the mitochondrial network and proteome. Graphical Abtract

Abstract Temporal coincidence between the conditioned stimulus (CS) and unconditioned stimulus (US) is essential for associative learning across species. Despite its ubiquitous presence, the mechanism that may regulate this time window duration remains unclear yet. Using olfactory associative learning in Drosophila as a model, we find that suppressing or promoting serotonin (5-HT) signal could respectively shorten or prolong the coincidence time window of odor-shock associative learning and synaptic plasticity in mushroom body (MB) Kenyon cells (KCs). Capitalizing on G PC R - a ctivation b ased (GRAB) sensors for 5-HT and acetylcholine (ACh), we characterized the in vivo 5-HT dynamics in MB lobes during odor and shock stimulations and further dissected this microcircuit. Interestingly, local KC-released ACh activates nicotinic receptors on the dorsal paired medial (DPM) neuron, and in turn the DPM neuron releases 5-HT to inhibit the ACh signal via the 5-HT1a receptor. Finally, we demonstrated that the DPM-mediated serotonergic feedback circuit is sufficient and necessary to regulate the coincidence time window. This work provides a model for studying the temporal contingency of environmental events and their causal relationship.

Abstract Axon guidance molecules are critical for neuronal pathfinding because they regulate directionality and growth pace during nervous system development. However, the molecular mechanisms coordinating proper axonal extension and turning are poorly understood. Here, Metastasis Suppressor 1 (Mtss1), a membrane protrusion protein, ensured axonal extension while sensitizing axons to the Semaphorin 3E (Sema3E)-Plexin-D1 repulsive cue. Sema3E-Plexin-D1 signaling enhanced Mtss1 expression in projecting striatonigral neurons. Mtss1 localized to the neurite axonal side and regulated neurite outgrowth in cultured neurons. Mtss1 also aided Plexin-D1 trafficking to the growth cone, where it signaled a repulsive cue to Sema3E. Mtss1 ablation reduced neurite extension and growth cone collapse in cultured neurons. Mtss1 -knockout mice exhibited fewer striatonigral projections and irregular axonal routes and these defects were recapitulated in Plxnd1 - or Sema3e -knockout mice. These findings demonstrate that repulsive axon guidance activates an exquisite autoregulatory program coordinating both axonal extension and steering during neuronal pathfinding.