HIV-1 infection of the nervous system causes various neurological diseases, and synaptic degeneration is likely a critical step in the neuropathogenesis. Our prior studies revealed a significant decrease of synaptic protein, specifically in the spinal dorsal horn of patients with HIV-1 in whom pain developed, suggesting a potential contribution of synaptic degeneration to the pathogenesis of HIV-associated pain. However, the mechanism by which HIV-1 causes the spinal synaptic degeneration is unclear. Here, we identified a critical role of microglia in the synaptic degeneration. In primary cortical cultures (day in vitro 14) and spinal cords of 3- to 5-month-old mice (both sexes), microglial ablation inhibited gp120-induced synapse decrease. Fractalkine (FKN), a microglia activation chemokine specifically expressed in neurons, was upregulated by gp120, and knockout of the FKN receptor CX3CR1, which is predominantly expressed in microglia, protected synapses from gp120-induced toxicity. These results indicate that the neuron-to-microglia intercellular FKN/CX3CR1 signaling plays a role in gp120-induced synaptic degeneration. To elucidate the mechanism controlling this intercellular signaling, we tested the role of the Wnt/β–catenin pathway in regulating FKN expression. Inhibition of Wnt/β-catenin signaling blocked both gp120-induced FKN upregulation and synaptic degeneration, and gp120 stimulated Wnt/β-catenin-regulated FKN expression via NMDA receptors (NMDARs). Furthermore, NMDAR antagonist APV, Wnt/β-catenin signaling suppressor DKK1, or knockout of CX3CR1 alleviated gp120-induced mechanical allodynia in mice, suggesting a critical contribution of the Wnt/β–catenin/FKN/CX3R1 pathway to gp120-induced pain. These findings collectively suggest that HIV-1 gp120 induces synaptic degeneration in the spinal pain neural circuit by activating microglia via Wnt3a/β-catenin-regulated FKN expression in neurons. SIGNIFICANCE STATEMENT Synaptic degeneration develops in the spinal cord dorsal horn of HIV patients with chronic pain, but the patients without the pain disorder do not show this neuropathology, indicating a pathogenic contribution of the synaptic degeneration to the development of HIV-associated pain. However, the mechanism underlying the synaptic degeneration is unclear. We report here that HIV-1 gp120, a neurotoxic protein that is specifically associated with the manifestation of pain in HIV patients, induces synapse loss via microglia. Further studies elucidate that gp120 activates microglia by stimulating Wnt/β-catenin-regulated fractalkine in neuron. The results demonstrate a critical role of microglia in the pathogenesis of HIV-associated synaptic degeneration in the spinal pain neural circuit.

Recently, the application of polymer-based composites at cryogenic conditions has become a hot topic, especially in aerospace fields. At cryogenic temperature, the polymer becomes more brittle, and the adverse effect of thermal stress induced by temperature is more remarkable. In this paper, the research development of thermoset and thermoplastic polymers for cryogenic applications are all reviewed. This review considers the literature concerning: (a) the cryogenic performance of modified thermoset polymers and the improving mechanisms of the reported modification methods; (b) the cryogenic application potential of some commercial thermoplastic polymers and the cryogenic performance of modified thermoplastic polymers; (c) the recent advance in the use of polymer for special cryogenic environment-liquid oxygen. This paper provides a comprehensive overview of the research development of the polymer for cryogenic application. Moreover, future research directions have been proposed to facilitate its practical applications in aerospace.

Microglia are ubiquitous central nervous system (CNS)-resident macrophages that maintain homeostasis of neural tissues and protect them from pathogen attacks. Yet, their differentiation in different compartments remains elusive. We performed single-cell RNA-seq to compare microglial subtypes in the cortex and the spinal cord. A multi-way comparative analysis was carried out on samples from C57/BL and HIV gp120 transgenic mice at two, four, and eight months of age. The results revealed overlapping but distinct microglial populations in the cortex and the spinal cord. The differential heterogeneity of microglia in these CNS regions was further suggested by their disparity of plasticity in response to life span progression and HIV-1 pathogenic protein gp120. Our findings indicate that microglia in different CNS compartments are adapted to their local environments to fulfill region-specific biological functions.

α/βKlotho coreceptors simultaneously engage fibroblast growth factor (FGF) hormones (FGF19, FGF21 and FGF23)1,2 and their cognate cell-surface FGF receptors (FGFR1-4) thereby stabilizing the endocrine FGF-FGFR complex3-6. However, these hormones still require heparan sulfate (HS) proteoglycan as an additional coreceptor to induce FGFR dimerization/activation and hence elicit their essential metabolic activities6. To reveal the molecular mechanism underpinning the coreceptor role of HS, we solved cryo-electron microscopy structures of three distinct 1:2:1:1 FGF23-FGFR-αKlotho-HS quaternary complexes featuring the 'c' splice isoforms of FGFR1 (FGFR1c), FGFR3 (FGFR3c) or FGFR4 as the receptor component. These structures, supported by cell-based receptor complementation and heterodimerization experiments, reveal that a single HS chain enables FGF23 and its primary FGFR within a 1:1:1 FGF23-FGFR-αKlotho ternary complex to jointly recruit a lone secondary FGFR molecule leading to asymmetric receptor dimerization and activation. However, αKlotho does not directly participate in recruiting the secondary receptor/dimerization. We also show that the asymmetric mode of receptor dimerization is applicable to paracrine FGFs that signal solely in an HS-dependent fashion. Our structural and biochemical data overturn the current symmetric FGFR dimerization paradigm and provide blueprints for rational discovery of modulators of FGF signalling2 as therapeutics for human metabolic diseases and cancer.

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.

Port wine stain (PWS) is characterized as a progressive dilatation of immature venule-like vasculatures which result from differentiation-impaired endothelial cells. In this study, we aimed to identify the major biological pathways accounting for the pathogenesis of PWS.Sequential windowed acquisition of all theoretical fragment ion mass spectra (SWATH-MS) was used to identify differentially expressed proteins in PWS lesions, followed by confirmative studies with immunohistochemistry, immunoblot and transmission electron microscopy (TEM).107 out of 299 identified proteins showed differential expressions in PWS lesions as compared to normal skin, mainly involving the functions of biosynthesis, membrane trafficking, cytoskeleton and cell adhesion/migration. The confirmative studies showed that expressions of membrane trafficking/exocytosis related proteins such as VAT1, IQGAP1, HSC70, clathrin, perlecan, spectrin α1 and GDIR1 were significantly increased in PWS blood vessels as compared to normal ones; while collagen subtypes 6A1 and 6A3 were decreased in PWS skin. Furthermore, TEM studies showed there is a significant upregulation of extracellular vesicle exocytosis from PWS blood vessels as compared to control.The biological process of membrane trafficking and exocytosis is enhanced in PWS blood vessels. Our results imply that the extracellular vesicles released by lesional endothelial cells may act as potential intercellular signaling mediators to contribute to the pathogenesis of PWS.

Abstract Assembly of ribosomal subunits occurs via parallel pathways, which accelerate the process and render it more robust. Nonetheless, in vitro analyses have also demonstrated that some assembly pathways are dead-ends, presumably due to rRNA misfolding. If and how these non-productive pathways are avoided during assembly in vivo remains unknown. Here we use a combination of biochemical, genetic, proteomic and structural analyses to demonstrate a role for assembly factors in biasing the folding landscape away from non-productive intermediates. By binding Rrp36, Rrp5 is prevented from forming a premature interaction with the platform, which leads to a dead-end intermediate, and a misassembled platform that is functionally defective. The DEAD-box ATPase Has1 separates Rrp5 and Rrp36, allowing Rrp5 to reposition to the platform, thereby promoting ribosome assembly and enabling rRNA processing. Thus, Rrp36 establishes an ATP-dependent regulatory point that ensures correct platform assembly by opening a new folding channel that avoids funnels to misfolding.

Abstract Invertebrates, animals (metazoans) without backbones, encompass ∼97% of all animal yet remains understudied. They have provided insights into molecular mechanisms underlying fundamentally identical mechanisms in phylogenetically diverse animals, including vertebrates. Marine invertebrates have long fascinated researchers due to their abundance, diversity, adaptations, and impact on ecosystems and human economies. Here, we report a compendium and appraisal of 190 marine invertebrate genomes spanning 21 phyla, 43 classes, 92 orders, and 134 families. We identify a high proportion and long unit size of tandem repeats, likely contributing to reported difficulties in invertebrate genome assembly. A well-supported phylogenetic tree of marine invertebrates from 974 single-copy orthologous genes resolved topological controversies. We show that Ctenophora is at the basal phylum and Porifera is the sister group of Parahoxozoa; that Xenacoelomorpha is within Bilateria and is the sister group to Protostomia, rejecting three out of four hypotheses in the field; and that Bryozoa is at the basal position of Lophotrochozoa, not grouped into Lophophorata. We also present insights into the genetic underpinnings of metazoans from Hox genes, innate immune gene families, and nervous system gene families. Our marine invertebrate genome compendium provides a unified foundation for studies on their evolution and effects on ecological systems and human life.

ABSTRACT Opioids are the frontline analgesics for managing various types of pain. Paradoxically, repeated use of opioid analgesics may cause an exacerbated pain state known as opioid-induced hyperalgesia (OIH), which significantly contributes to dose escalation and consequently opioid overdose. Neuronal malplasticity in pain circuits has been the predominant proposed mechanism of OIH expression. Although glial cells are known to become reactive in OIH animal models, their biological contribution to OIH remains to be defined and their activation mechanism remains to be elucidated. Here, we show that reactive astrocytes (a.k.a. astrogliosis) are critical for OIH development in both male and female mice. Genetic ablation of astrogliosis inhibited the expression of OIH and morphine-induced neural circuit polarization (NCP) in the spinal dorsal horn (SDH). We found that Wnt5a is a neuron-to-astrocyte signal that is required for morphine-induced astrogliosis. Conditional knock-out of Wnt5a in neurons or its co-receptor ROR2 in astrocytes blocked not only morphine-induced astrogliosis but also OIH and NCP. Furthermore, we showed that the Wnt5a-ROR2 signaling-dependent astrogliosis contributes to OIH via inflammasome-regulated IL-1β. Our results reveal an important role of morphine-induced astrogliosis in OIH pathogenesis and elucidate a neuron-to-astrocyte intercellular Wnt signaling pathway that controls the astrogliosis.

Abstract Human cortical organoids, three-dimensional neuronal cell cultures derived from human induced pluripotent stem cells, have recently emerged as promising models of human brain development and dysfunction. Transplantation of human brain organoids into the mouse brain has been shown to be a successful in vivo model providing vascularization for long term chronic experiments. However, chronic functional connectivity and responses evoked by external sensory stimuli has yet to be demonstrated, due to limitations of chronic recording technologies. Here, we develop an experimental paradigm based on transparent graphene microelectrode arrays and two-photon imaging for longitudinal, multimodal monitoring of human organoids transplanted in the mouse cortex. The transparency of graphene microelectrodes permits visual and optical inspection of the transplanted organoid and the surrounding cortex throughout the chronic experiments where local field potentials and multi-unit activity (MUA) are recorded during spontaneous activity and visual stimuli. These experiments reveal that visual stimuli evoke electrophysiological responses in the organoid, matching the responses from the surrounding cortex. Increases in the power of the gamma and MUA bands as well as phase locking of MUA events to slow oscillations evoked by visual stimuli suggest functional connectivity established between the human and mouse tissue. Optical imaging through the transparent microelectrodes shows vascularization of the organoids. Postmortem histological analysis exhibits morphological integration and synaptic connectivity with surrounding mouse cortex as well as migration of organoid cells into the surrounding cortex. This novel combination of stem cell and neural recording technologies could serve as a unique platform for comprehensive evaluation of organoids as models of brain development and dysfunction and as personalized neural prosthetics to restore lost, degenerated, or damaged brain regions.