ABSTRACT DECIPHER is a new method for finding 16S rRNA chimeric sequences by the use of a search-based approach. The method is based upon detecting short fragments that are uncommon in the phylogenetic group where a query sequence is classified but frequently found in another phylogenetic group. The algorithm was calibrated for full sequences (fs_DECIPHER) and short sequences (ss_DECIPHER) and benchmarked against WigeoN (Pintail), ChimeraSlayer, and Uchime using artificially generated chimeras. Overall, ss_DECIPHER and Uchime provided the highest chimera detection for sequences 100 to 600 nucleotides long (79% and 81%, respectively), but Uchime's performance deteriorated for longer sequences, while ss_DECIPHER maintained a high detection rate (89%). Both methods had low false-positive rates (1.3% and 1.6%). The more conservative fs_DECIPHER, benchmarked only for sequences longer than 600 nucleotides, had an overall detection rate lower than that of ss_DECIPHER (75%) but higher than those of the other programs. In addition, fs_DECIPHER had the lowest false-positive rate among all the benchmarked programs (<0.20%). DECIPHER was outperformed only by ChimeraSlayer and Uchime when chimeras were formed from closely related parents (less than 10% divergence). Given the differences in the programs, it was possible to detect over 89% of all chimeras with just the combination of ss_DECIPHER and Uchime. Using fs_DECIPHER, we detected between 1% and 2% additional chimeras in the RDP, SILVA, and Greengenes databases from which chimeras had already been removed with Pintail or Bellerophon. DECIPHER was implemented in the R programming language and is directly accessible through a webpage or by downloading the program as an R package ( http://DECIPHER.cee.wisc.edu ).

Highlights•Interspecies systems biology paradigm links genetics to metabolites•Vitamin B12 is produced by the Comamonas, but not the E. coli, diet•Vitamin B12 affects development, fertility, and propionic acid toxicity•Vitamin B12 accelerates development via SAM metabolismSummaryDiet greatly influences gene expression and physiology. In mammals, elucidating the effects and mechanisms of individual nutrients is challenging due to the complexity of both the animal and its diet. Here, we used an interspecies systems biology approach with Caenorhabditis elegans and two of its bacterial diets, Escherichia coli and Comamonas aquatica, to identify metabolites that affect the animal's gene expression and physiology. We identify vitamin B12 as the major dilutable metabolite provided by Comamonas aq. that regulates gene expression, accelerates development, and reduces fertility but does not affect lifespan. We find that vitamin B12 has a dual role in the animal: it affects development and fertility via the methionine/S-Adenosylmethionine (SAM) cycle and breaks down the short-chain fatty acid propionic acid, preventing its toxic buildup. Our interspecies systems biology approach provides a paradigm for understanding complex interactions between diet and physiology.Graphical abstract

Abstract In our group, we aim to understand metabolism in the nematode Caenorhabditis elegans and its relationships with gene expression, physiology and the response to therapeutic drugs. On March 15, 2020, a stay-at-home order was put into effect in the state of Massachusetts, USA, to flatten the curve of the spread of the novel SARS-CoV2 virus that causes COVID-19. For biomedical researchers in our state, this meant putting a hold on experiments for nine weeks until May 18, 2020. To keep the lab engaged and productive, and to enhance communication and collaboration, we embarked on an in-lab project that we all found important but that we never had the time for: the detailed annotation and drawing of C. elegans metabolic pathways. As a result, we present WormPaths, which is composed of two parts: 1) the careful manual annotation of metabolic genes into pathways, categories and levels, and 2) 66 pathway maps that include metabolites, metabolite structures, genes, reactions, and pathway connections between maps. These maps are available on our WormFlux website. We show that WormPaths provides easy-to-navigate maps and that the different levels in WormPaths can be used for metabolic pathway enrichment analysis of transcriptomic data. In the unfortunate event of additional lockdowns, we envision further developing these maps to be more interactive, with an analogy of road maps that are available on mobile devices.

SUMMARY In humans, mutations in D-2-hydroxyglutarate (D-2HG) dehydrogenase (D2HGDH) result in D-2HG accumulation, delayed development, seizures, and ataxia. While the mechanisms of 2HG-associated diseases have been studied extensively, the endogenous metabolism of D-2HG remains unclear in any organism. Here, we find that, in Caenorhabditis elegans , D-2HG is produced in the propionate shunt, which is transcriptionally activated when flux through the canonical, vitamin B12-dependent propionate breakdown pathway is perturbed. Deletion of the D2HGDH ortholog, dhgd-1 , results in embryonic lethality, mitochondrial defects, and the upregulation of ketone body metabolism genes. Viability can be rescued by RNAi of hphd-1 , which encodes the enzyme that produces D-2HG, or by supplementing either vitamin B12 or the ketone body 3-hydroxybutyrate (3HB). Altogether, our findings support a model in which C. elegans relies on ketone bodies for energy when vitamin B12 levels are low, and in which a loss of dhgd-1 causes lethality by limiting ketone body production. HIGHLIGHTS - D-2-hydroxyglutarate is produced by HPHD-1 in the propionate shunt pathway - DHGD-1 recycles 2-hydroxyglutarate to sustain flux through the propionate shunt - dhgd-1 loss perturbs ketone body metabolism and causes embryonic lethality - 3-Hydroxybutyrate, vitamin B12 or hphd-1 RNAi rescue dhgd-1 mutant lethality

Abstract Metabolism is precisely controlled to ensure organismal development and homeostasis. Several mechanisms regulate metabolism, including allosteric control and transcriptional regulation of metabolic enzymes and transporters. So far, metabolism regulation has mostly been described for individual genes and pathways, and the extent of transcriptional regulation of the entire metabolic network remains largely unknown. Here, we find that more than three-quarters of all metabolic genes are transcriptionally regulated in the nematode Caenorhabditis elegans . We find that many annotated metabolic pathways are coexpressed, and we use gene expression data and the iCEL1314 metabolic network model to define coregulated sub-pathways in an unbiased manner. Using a large gene expression compendium, we determine the conditions where sub-pathways exhibit strong coexpression. Finally, we develop ‘WormClust’, a web application that enables a gene-by-gene query of genes to view their association with metabolic (sub)-pathways. Overall, this study sheds light on the ubiquity of transcriptional regulation of metabolism and provides a blueprint for similar studies in other organisms, including humans.

Metabolic reaction flux is regulated in response to nutritional, environmental or pathological conditions by changes in either metabolite or metabolic enzyme levels. Previous studies proposed that flux is predominately regulated by metabolite, rather than enzyme, levels. However, the extent to which changes in enzyme levels affect flux throughout the metabolic network remains unclear. Here, we combine available yeast enzyme level, flux data, and metabolic network modeling to demonstrate three paradigms by which enzyme levels are broadly associated with flux: cognate reaction, pathway-level coordination, and flux coupling. We find that the architecture of the metabolic network enables the reach of influence for most enzymes. We implemented enzyme reach as a novel parameter in an enhanced flux potential analysis algorithm, which predicts relative flux levels under different conditions from variations in enzyme expression. This algorithm was tested in yeast and humans. Our study suggests that metabolic network architecture facilitates a broad physiological impact of changes in enzyme levels and may form a foundation for using enzyme expression data for a variety of systems, and eventually, individual cells.

Persistence detection is a mechanism that ensures a physiological output is only executed when the relevant input is sustained. Gene regulatory network circuits known as coherent type 1 feed forward loops (FFLs) with an AND-logic gate have been proposed to generate persistence detection. In such circuits two transcription factors (TFs) are both required to activate target genes and one of the two TFs activates the other. While numerous FFLs have been identified, examples of actual persistence detectors have only been described for bacteria. Here, we discover a transcriptional persistence detector in Caenorhabditis elegans involving the nuclear hormone receptors nhr-10 and nhr-68, which activates genes comprising a propionate shunt pathway. This shunt is used only when flux through the canonical, vitamin B12-dependent propionate breakdown pathway is perturbed. We propose that the propionate persistence detector functions to preferentially catabolize propionate through the canonical pathway to avoid spurious production of toxic shunt intermediates.