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.

Abstract The completeness and accuracy of genome assemblies determine the quality of subsequent bioinformatics analysis. Despite benefiting from the medium/long-range information of third-generation sequencing techniques, current gap-closing tools to enhance assemblies suffer multi-alignments and high error rates, resulting in huge time and money costs. We developed a software tool, TGS-GapCloser that uses the low depth (>=10X) single molecule sequencing long reads without any error correction to close gaps. The algorithm distinguishes gap regions from the alignments of long reads against original scaffolds, corrects only the candidate regions, and assigns the best sequences to each gap. We demonstrate that TGS-GapCloser improves the contig N50 value of draft assembly by 25-fold on average, updating above 90% gaps with 93.96% positive predictive value. Despite of high error rate of raw long reads, improved assemblies archive Q50 (99.999%) single-base accuracy with only 11.8% decrement to inputs. Besides it could complete more gaps, and is also ∼29-fold faster than mainstream gap-closing tools. BUSCO analysis revealed that 3.4%-13.1% more expected genes were complete. TGS-GapCloser also shows its power to fill gaps for ultra large genome assembly of ginkgo (∼12Gb) with 71.6% of gaps closed. The validation of inserted or merged gap sequences was conducted with NGS reads and reference genomes, respectively. The updated genome assemblies may promote the gene annotation, structure variant calling and thus improving the downstream analysis of ontogeny, phylogeny, and evolution.

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.

Abstract Integrative analysis of multi-omics layers at single cell level is critical for accurate dissection of cell-to-cell variation within certain cell populations. Here we report scCAT-seq, a technique for simultaneously assaying chromatin accessibility and the transcriptome within the same single cell. We show that the combined single cell signatures enable accurate construction of regulatory relationships between cis -regulatory elements and the target genes at single-cell resolution, providing a new dimension of features that helps direct discovery of regulatory patterns specific to distinct cell identities. Moreover, we generated the first single cell integrated maps of chromatin accessibility and transcriptome in human pre-implantation embryos and demonstrated the robustness of scCAT-seq in the precise dissection of master transcription factors in cells of distinct states during embryo development. The ability to obtain these two layers of omics data will help provide more accurate definitions of “single cell state” and enable the deconvolution of regulatory heterogeneity from complex cell populations.

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.

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 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 Background S. aethiopicum is a close relative to S. melongena and has been routinely used to improve disease resistance in S. melongena . However, these efforts have been greatly limited by the lack of a reference genome and the clear understanding of the genes involved during biotic and abiotic stress response. Results We present here a draft genome assembly of S. aethiopicum of 1.02 Gb in size, which is predominantly occupied by repetitive sequences (76.2%), particularly long terminal repeat elements. We annotated 37,681 gene models including 34,905 protein-coding genes. We observed an expansion of resistance genes through two rounds of amplification of LTR-Rs, occurred around 1.25 and 3.5 million years ago, respectively. The expansion also occurred in gene families related to drought tolerance. A number of 14,995,740 SNPs are identified by re-sequencing 65 S. aethiopicum genotypes including “Gilo” and “Shum” accessions, 41,046 of which are closely linked to resistance genes. The domestication and demographic history analysis reveals selection of genes involved in drought tolerance in both “Gilo” and “Shum” groups. A pan-genome of S. aethiopicum with a total of 36,250 protein-coding genes was assembled, of which 1,345 genes are missing in the reference genome. Conclusions Overall, the genome sequence of S. aethiopicum increases our understanding of the genomic mechanisms of its extraordinary disease resistance and drought tolerance. The SNPs identified are available for potential use by breeders. The information provided here will greatly accelerate the selection and breeding of the African eggplant as well as other crops within the Solanaceae family.