Abstract Project-based learning (PBL) has long been recognized as an effective way to teach complex biology concepts. However, not all institutions have the resources to facilitate effective project-based coursework for students. We have developed a framework for facilitating PBL using remote-controlled internet-connected microscopes. Through this approach, one lab facility can host an experiment allowing simultaneous interaction by many students worldwide. Experiments on this platform can be run on long timescales and with materials that are typically unavailable to high school classrooms. This allows students to perform novel research projects rather than just repeat standard classroom experiments. To investigate the impact of this program, we designed and ran six user studies with students worldwide. All experiments were executed in Santa Cruz and San Francisco, California, with observations and decisions made remotely by the students using their personal computers and cellphones. In surveys gathered after the experiments’ conclusion, students reported increased excitement for science and a greater desire to pursue a career in STEM. This framework represents a novel, scalable, and effective PBL approach that has the potential to democratize biology and STEM education around the world.

Abstract Respiratory diseases are a leading cause of death worldwide, with highly varied vulnerability to disease between individuals. The underlying reasons of disease susceptibility are unknown, but often include a variable immune response in lungs. Recently, we identified a surprising novel role of the interleukin 7 receptor (IL7R), a primarily lymphoid-associated regulator, in fetal-specified, lung-resident macrophage development. Here, we report that traditional, hematopoietic stem cell-derived myeloid cells in the adult lung, peripheral blood, and bone marrow also depend on IL7R expression. Using single and double germline knockout models, we found that eosinophil numbers were reduced upon deletion of IL7Rα. We then employed two Cre recombinase models in lineage tracing experiments to test whether these cells developed through an IL7Rα+ pathway. Despite the impact of IL7Rα deletion, IL7R-Cre labeled only a minimal fraction of eosinophils. We therefore examined the intrinsic versus extrinsic requirement for IL7R in the production of eosinophils using reciprocal hematopoietic stem cell transplantation assays. These assays revealed that extrinsic, but not eosinophil-intrinsic, IL7R is required for eosinophil reconstitution by HSCs in the adult lung. To determine which external factors may be influencing eosinophil development and survival, we performed a cytokine array analysis between wild-type and IL7Rα-deficient mice and found several differentially regulated proteins. These findings expand upon our previous publication that IL7R is required not only for proper lymphoid cell development and homeostasis, but also for myeloid cell homeostasis in tissues. Highlights Loss of IL7Rα resulted in significantly fewer eosinophils in adult mice IL7R-Cre lineage tracing revealed minimal labeling of eosinophils IL7Rα-deficient HSCs robustly reconstituted eosinophils in a WT host WT HSCs failed to fully reconstitute eosinophils in IL7Rα -/- hosts Several cytokines are differentially expressed in WT and IL7Rα-deficient mice

Abstract The respiratory system exists at the interface between our body and the surrounding non-sterile environment; therefore, it is critical for a state of homeostasis to be maintained through a balance of pro- and anti- inflammatory cues. An appropriate inflammatory response is vital for combating pathogens, while an excessive or uncontrolled inflammatory response can lead to the development of chronic diseases. Recent studies show that actively transcribed noncoding regions of the genome are emerging as key regulators of biological processes, including inflammation. LincRNA-Cox2 is one such example of an inflammatory inducible long noncoding RNA functioning to control immune response genes. Here using bulk and single cell RNA-seq, in addition to florescence activated cell sorting, we show that lincRNA-Cox2 is most highly expressed in the lung, particularly in alveolar macrophages where it functions to control immune gene expression following acute lung injury. Utilizing a newly generated lincRNA-Cox2 transgenic overexpressing mouse, we show that it can function in trans to control genes including Ccl3, 4 and 5. This work greatly expands our understanding of the role for lincRNA-Cox2 in host defense and sets in place a new layer of regulation in RNA-immune-regulation of genes within the lung.

SUMMARY Platelet dysregulation is drastically increased with advanced age and contributes to making cardiovascular disorders the leading cause of death of elderly humans. Hematopoietic stem and progenitor cells continuously give rise to platelets, but their contributions to variable platelet production and activity throughout life remain unclear. Here we reveal a direct differentiation pathway from hematopoietic stem cells into platelets that is unique to aging. An unequivocal genetic lineage tracing mouse model demonstrated that this age-specific pathway is progressively propagated over time. Remarkably, the age-specific platelet path is decoupled from all other hematopoietic lineages, including erythropoiesis, and operates as an additional layer in parallel with canonical platelet production. This results in two molecularly and functionally distinct populations of megakaryocyte progenitor cells that that operate in parallel. The age-specific megakaryocyte progenitor population has profoundly enhanced capacity to engraft, expand, and reconstitute platelets, and produces an additional platelet population that exists only in old mice. Consistent with increased thrombotic incidence upon aging, the two pools of co-existing platelets contribute to age-related thrombocytosis and dramatically increased thrombosis in vivo . Upon acute, platelet-specific stress, the age-specific MkPs endowed old mice with superior capacity to rapidly restore platelet counts. These findings reveal stem cell-based aging as a mechanism for platelet dysregulation and identify an aging-induced population of functionally enhanced MkPs as a unique source of age-specific platelets. >HIGHLIGHTS Aging leads to two parallel platelet specification paths from HSCs The shortcut platelet pathway is perpetuated by highly expansive MkPs unique to aging The age-specific differentiation path contributes to thrombosis and platelet hyperreactivity Age-specific MkPs serve as potent first responders to acute platelet loss

ABSTRACT Traditional, adult-derived lymphocytes that circulate provide adaptive immunity to infection and pathogens. However, subsets of lymphoid cells are also found in non-lymphoid tissues and are called tissue-resident lymphoid cells (TLCs). TLCs encompass a wide array of cell types that span the spectrum of innate-to-adaptive immune function. Unlike traditional lymphocytes that are continuously generated from hematopoietic stem cells (HSCs), many TLCs are of fetal origin and poorly generated from adult HSCs. Here, we sought to understand the development of murine TLCs across multiple tissues and therefore probed the roles of Flk2 and IL7Rα, two cytokine receptors with known roles in traditional lymphopoiesis. Using Flk2- and Il7r-Cre lineage tracing models, we found that peritoneal B1a cells, splenic marginal zone B (MZB) cells, lung ILC2s and regulatory T cells (Tregs) were highly labeled in both models. Despite this high labeling, highly quantitative, in vivo functional approaches showed that the loss of Flk2 minimally affected the generation of these cells in situ . In contrast, the loss of IL7Rα, or combined deletion of Flk2 and IL7Rα, dramatically reduced the cell numbers of B1a cells, MZBs, ILC2s, and Tregs both in situ and upon transplantation, indicating an intrinsic and more essential role for IL7Rα. Surprisingly, reciprocal transplants of WT HSCs showed that an IL7Rα -/- environment selectively impaired reconstitution of TLCs when compared to TLC numbers in situ . Taken together, our data revealed functional roles of Flk2 and IL7Rα in the establishment of tissue-resident lymphoid cells.

The discovery of a fetal origin for tissue-resident macrophages (trMacs) has inspired an intense search for the mechanisms underlying their development. Here, we performed in vivo lineage tracing of cells with an expression history of IL-7Rα, a marker exclusively associated with the lymphoid lineage in adult hematopoiesis. Surprisingly, we found that IL7R-Cre labeled fetal-derived, adult trMacs. Labeling was almost complete in some tissues and partial in other organs. The putative progenitors of trMacs, yolk sac (YS) erythromyeloid progenitors (EMPs), did not express IL-7R, and YS hematopoiesis was unperturbed in IL-7R-deficient mice. In contrast, tracking of IL-7Rα message levels, surface protein expression, and IL7R-Cre-mediated labeling across fetal development revealed dynamic regulation of IL-7Rα mRNA expression and rapid upregulation of IL-7Rα surface protein upon transition from monocyte to macrophage within fetal tissues. Fetal liver monocyte differentiation in vitro produced IL-7R+ macrophages, supporting a direct progenitor-progeny relationship. Additionally, blockade of IL-7R function during late gestation specifically impaired the establishment of fetal-derived tissue macrophages in vivo. These data provide evidence for a distinct function of IL-7Rα in fetal myelopoiesis and identify IL-7R as a novel regulator of tissue-resident macrophage development.

Abstract Helicobacter pylori colonizes half of the world’s population and is responsible for a significant disease burden by causing gastritis, peptic ulcers, and gastric cancer. The development of host inflammation drives these diseases, but there are still open questions in the field about how H. pylori controls this process. We characterized H. pylori inflammation using an eight month mouse infection time course and comparison of wild type and a previously identified mutant lacking the TlpA chemoreceptor that causes elevated inflammation. Our work shows that H. pylori chronic stage corpus inflammation undergoes surprising fluctuations, with changes in Th17 and eosinophil numbers. The H. pylori tlpA mutant changed the inflammation temporal characteristics, resulting in different inflammation from wild type at some time points. tlpA mutants have equivalent total and gland colonization at late stage infections. During early infection, in contrast, they show elevated gland and total colonization compared to WT. Our results suggest the chronic inflammation setting is dynamic, and may be influenced by colonization properties of early infection. Importance Helicobacter pylori established chronic infection in half of the world’s population. This infection initiates during childhood, and leads to later life gastric diseases including gastritis, peptic ulcers, and gastric cancer. These diseases are driven by host inflammation, with more severe inflammation leading to more severe disease. It is not fully understood how H. pylori controls inflammation. In this work, we used an H. pylori mouse infection model and characterized inflammation and colonization of wild-type H. pylori and a mutant that was known to cause elevated inflammation. We found that inflammation in the chronic stage undergoes surprising fluctuations, with related changes in Th17 numbers. H. pylori tlpA mutants caused offset inflammation dynamics, suggesting that H. pylori infection underlies this dynamism. Although there were not colonization dynamics at the time of inflammation fluctuations, there were differences between WT and tlpA mutant colonization at early time points. Our results suggest the chronic inflammation setting is more dynamic than previously thought and may be influenced by colonization properties of early infection.

SUMMARY Age-related morbidity is associated with a decline in hematopoietic stem cell (HSC) function, but the mechanisms of HSC aging remain unclear. We performed heterochronic HSC transplants followed by quantitative analysis of cell reconstitution. While young HSCs outperformed old HSCs in young recipients, young HSCs unexpectedly failed to outcompete the old HSCs of aged recipients. Interestingly, despite substantial enrichment of megakaryocyte progenitors (MkPs) in old mice in situ and reported platelet (Plt) priming with age, transplanted old HSCs were deficient in reconstitution of all lineages, including MkPs and Plts. We therefore performed functional analysis of young and old MkPs. Surprisingly, old MkPs displayed unmistakably greater regenerative capacity compared to young MkPs. Transcriptome analysis revealed putative molecular regulators of old MkP expansion. Collectively, these data demonstrated that aging affects HSCs and megakaryopoiesis in fundamentally different ways: whereas old HSCs functionally decline, MkPs gain expansion capacity upon aging. HIGHLIGHTS Frequencies and total cell numbers of HSCs and MkPs were increased upon aging Reconstitution deficit by old HSCs was observed by chimerism and absolute cell numbers Young HSCs did not have competitive advantage over old HSCs in aged recipient mice Old MkPs display remarkable capacity to engraft, expand, and reconstitute platelets Aging is associated with changes in MkP genome-wide expression signatures