We systematically generated large-scale data sets to improve genome annotation for the nematode Caenorhabditis elegans, a key model organism. These data sets include transcriptome profiling across a developmental time course, genome-wide identification of transcription factor-binding sites, and maps of chromatin organization. From this, we created more complete and accurate gene models, including alternative splice forms and candidate noncoding RNAs. We constructed hierarchical networks of transcription factor-binding and microRNA interactions and discovered chromosomal locations bound by an unusually large number of transcription factors. Different patterns of chromatin composition and histone modification were revealed between chromosome arms and centers, with similarly prominent differences between autosomes and the X chromosome. Integrating data types, we built statistical models relating chromatin, transcription factor binding, and gene expression. Overall, our analyses ascribed putative functions to most of the conserved genome.

The accumulation of damaged mitochondria has been proposed as a key factor in aging and the pathogenesis of many common age-related diseases, including Parkinson disease (PD). Recently, in vitro studies of the PD-related proteins Parkin and PINK1 have found that these factors act in a common pathway to promote the selective autophagic degradation of damaged mitochondria (mitophagy). However, whether Parkin and PINK1 promote mitophagy under normal physiological conditions in vivo is unknown. To address this question, we used a proteomic approach in Drosophila to compare the rates of mitochondrial protein turnover in parkin mutants, PINK1 mutants, and control flies. We found that parkin null mutants showed a significant overall slowing of mitochondrial protein turnover, similar to but less severe than the slowing seen in autophagy-deficient Atg7 mutants, consistent with the model that Parkin acts upstream of Atg7 to promote mitophagy. By contrast, the turnover of many mitochondrial respiratory chain (RC) subunits showed greater impairment in parkin than Atg7 mutants, and RC turnover was also selectively impaired in PINK1 mutants. Our findings show that the PINK1-Parkin pathway promotes mitophagy in vivo and, unexpectedly, also promotes selective turnover of mitochondrial RC subunits. Failure to degrade damaged RC proteins could account for the RC deficits seen in many PD patients and may play an important role in PD pathogenesis.

Uniform processing and detailed annotation of human, worm and fly RNA-sequencing data reveal ancient, conserved features of the transcriptome, shared co-expression modules (many enriched in developmental genes), matched expression patterns across development and similar extent of non-canonical, non-coding transcription; furthermore, the data are used to create a single, universal model to predict gene-expression levels for all three organisms from chromatin features at the promoter. In this paper the modENCODE consortium reports on a comparative analysis of transcriptome data for human, worm and fly, revealing ancient, conserved features such as shared co-expression modules enriched in developmental genes. Expression patterns are used to align the stages in worm and fly development. Gene expression levels, both coding and non-coding, in all three organisms can be quantitatively predicted from chromatin features at the promoter using a model based on a single set of organism-independent parameters. The transcriptome is the readout of the genome. Identifying common features in it across distant species can reveal fundamental principles. To this end, the ENCODE and modENCODE consortia have generated large amounts of matched RNA-sequencing data for human, worm and fly. Uniform processing and comprehensive annotation of these data allow comparison across metazoan phyla, extending beyond earlier within-phylum transcriptome comparisons and revealing ancient, conserved features1,2,3,4,5,6. Specifically, we discover co-expression modules shared across animals, many of which are enriched in developmental genes. Moreover, we use expression patterns to align the stages in worm and fly development and find a novel pairing between worm embryo and fly pupae, in addition to the embryo-to-embryo and larvae-to-larvae pairings. Furthermore, we find that the extent of non-canonical, non-coding transcription is similar in each organism, per base pair. Finally, we find in all three organisms that the gene-expression levels, both coding and non-coding, can be quantitatively predicted from chromatin features at the promoter using a ‘universal model’ based on a single set of organism-independent parameters.

Insects, unlike vertebrates, are widely believed to lack male-biased sex steroid hormones1. In the malaria mosquito Anopheles gambiae, the ecdysteroid 20-hydroxyecdysone (20E) appears to have evolved to both control egg development when synthesized by females2 and to induce mating refractoriness when sexually transferred by males3. Because egg development and mating are essential reproductive traits, understanding how Anopheles females integrate these hormonal signals can spur the design of new malaria control programs. Here we reveal that these reproductive functions are regulated by distinct sex steroids through a sophisticated network of ecdysteroid-activating/inactivating enzymes. We identify a male-specific oxidized ecdysteroid, 3-dehydro-20E (3D20E), which safeguards paternity by turning off female sexual receptivity following its sexual transfer and activation by dephosphorylation. Notably, 3D20E transfer also induces expression of a reproductive gene that preserves egg development during Plasmodium infection, ensuring fitness of infected females. Female-derived 20E does not trigger sexual refractoriness but instead licenses oviposition in mated individuals once a 20E-inhibiting kinase is repressed. Identifying this male-specific insect steroid hormone and its roles in regulating female sexual receptivity, fertility and interactions with Plasmodium parasites suggests the possibility for reducing the reproductive success of malaria-transmitting mosquitoes.

Summary Skeletal muscle has recently arisen as a novel regulator of Central Nervous System (CNS) function and aging, secreting bioactive molecules known as myokines with metabolism-modifying functions in targeted tissues, including the CNS. Here we report the generation of a novel transgenic mouse with enhanced skeletal muscle lysosomal and mitochondrial function via targeted overexpression of Transcription Factor E-B (TFEB). We have discovered that the resulting geroprotective effects in skeletal muscle reduce neuroinflammation and the accumulation of tau-associated pathological hallmarks in a mouse model of tau pathology. Muscle-specific TFEB overexpression also significantly ameliorates proteotoxicity, reduces neuroinflammation and promotes transcriptional remodeling of the aged CNS, preserving cognition and memory in aged mice. Our results implicate the maintenance of skeletal muscle function throughout aging to direct regulation of CNS health and disease, and suggest that skeletal-muscle originating factors may act as novel therapeutic targets against age-associated neurodegenerative disorders.

Abstract High-field asymmetric waveform ion mobility spectrometry (FAIMS) coupled to liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS) has been shown to increase peptide and protein detections compared to LC-MS/MS alone. However, FAIMS has not been compared to other methods of gas-phase fractionation, such as quadrupole gas-phase fractionation, which could increase our understanding of the mechanisms of improvement. The goal of this work was to assess whether FAIMS improves peptide identifications because 1) gas-phase fractionation enables the analysis of less abundant signals by excluding more abundant precursors from filling the ion trap, 2) the use of FAIMS reduces co-isolation of peptides during the MS/MS process resulting in a reduction of chimeric spectra, or 3) a combination of both. To investigate these hypotheses, pooled human brain tissue samples were measured in triplicate using FAIMS gas-phase fractionation, quadrupole gas-phase fractionation, or no gas-phase fractionation on two Thermo Eclipse Tribrid Mass Spectrometers. On both instruments, our data confirmed prior observations that FAIMS increased the number of peptides identified. We further demonstrated that the main benefit of FAIMS is due to the reduced co-isolation of persistent peptide precursor ions, which results in a decrease in chimeric spectra.

Abstract Alzheimer’s disease (AD) is a looming public health disaster with limited interventions. Alzheimer’s is a complex disease that can present with or without causative mutations and can be accompanied by a range of age-related comorbidities. This diverse presentation makes it difficult to study molecular changes specific to AD. To better understand the molecular signatures of disease we constructed a unique human brain sample cohort inclusive of autosomal dominant AD dementia (ADD), sporadic ADD, and those without dementia but with high AD histopathologic burden, and cognitively normal individuals with no/minimal AD histopathologic burden. All samples are clinically well characterized, and brain tissue was preserved postmortem by rapid autopsy. Samples from four brain regions were processed and analyzed by data-independent acquisition LC-MS/MS. Here we present a high-quality quantitative dataset at the peptide and protein level for each brain region. Multiple internal and external control strategies were included in this experiment to ensure data quality. All data are deposited in the ProteomeXchange repositories and available from each step of our processing.

Our study was to characterize sarcopenia in C57BL/6J mice using a clinically relevant definition to investigate the underlying molecular mechanisms. Aged male (23-32 months old) and female (27-28 months old) C57BL/6J mice were classified as non-, probable-, or sarcopenic based on assessments of grip strength, muscle mass, and treadmill running time, using 2 SDs below the mean of their young counterparts as cutoff points. A 9%-22% prevalence of sarcopenia was identified in 23-26 month-old male mice, with more severe age-related declines in muscle function than mass. Females aged 27-28 months showed fewer sarcopenic but more probable cases compared with the males. As sarcopenia progressed, a decrease in muscle contractility and a trend toward lower type IIB fiber size were observed in males. Mitochondrial biogenesis, oxidative capacity, and AMPK-autophagy signaling decreased as sarcopenia progressed in males, with pathways linked to mitochondrial metabolism positively correlated with muscle mass. No age- or sarcopenia-related changes were observed in mitochondrial biogenesis, OXPHOS complexes, AMPK signaling, mitophagy, or atrogenes in females. Our results highlight the different trajectories of age-related declines in muscle mass and function, providing insights into sex-dependent molecular changes associated with sarcopenia progression, which may inform the future development of novel therapeutic interventions.

Abstract Resilience to Alzheimer’s disease (RAD) is an uncommon combination of high disease burden without dementia that may provide critical insights into limiting the clinical impact of this incurable disease. In this study, we used mass spectrometry-based proteomics to quantify regional protein differences that characterize RAD. Starting with over 700 brain donations, we identified 43 extensively annotated research participants who met stringent inclusion exclusion criteria and analyzed matched isocortical regions, hippocampus, and caudate nucleus. Differential expression analysis of 7,115 soluble proteins identified lower isocortical and hippocampal soluble Aβ peptide levels as a significant feature of RAD. Protein co-expression analysis revealed a group of 181 densely-interacting proteins significantly associated with RAD that were enriched for actin filament-based process, cellular detoxification, and wound healing in isocortex and hippocampus. We further support our findings using data from 689 human isocortical samples from four independent external cohorts that were the closest approximations of our clinico-pathologic groups. The molecular basis of RAD, a widely replicated state in older adults for which there is no experimental model, likely holds important insights into therapeutic interventions for Alzheimer’s disease.