The young circulatory milieu capable of delaying aging in individual tissues is of interest as rejuvenation strategies, but how it achieves cellular- and systemic-level effects has remained unclear. Here, we constructed a single-cell transcriptomic atlas across aged tissues/organs and their rejuvenation in heterochronic parabiosis (HP), a classical model to study systemic aging. In general, HP rejuvenated adult stem cells and their niches across tissues. In particular, we identified hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs) as one of the most responsive cell types to young blood exposure, from which a continuum of cell state changes across the hematopoietic and immune system emanated, through the restoration of a youthful transcriptional regulatory program and cytokine-mediated cell-cell communications in HSPCs. Moreover, the reintroduction of the identified rejuvenating factors alleviated age-associated lymphopoiesis decline. Overall, we provide comprehensive frameworks to explore aging and rejuvenating trajectories at single-cell resolution and revealed cellular and molecular programs that instruct systemic revitalization by blood-borne factors.

Abstract Bats are a major “viral reservoir” in nature and there is a great interest in not only the cell biology of their innate and adaptive immune systems, but also in the expression patterns of receptors used for cellular entry by viruses with potential cross-species transmission. To address this and other questions, we created a single-cell transcriptomic atlas of the Chinese horseshoe bat ( Rhinolophus sinicus ) which comprises 82,924 cells from 19 organs and tissues. This atlas provides a molecular characterization of numerous cell types from a variety of anatomical sites, and we used it to identify clusters of transcription features that define cell types across all of the surveyed organs. Analysis of viral entry receptor genes for known zoonotic viruses showed cell distribution patterns similar to that of humans, with higher expression levels in bat intestine epithelial cells. In terms of the immune system, CD8+ T cells are in high proportion with tissue-resident memory T cells, and long-lived effector memory nature killer (NK) T-like cells ( KLRG1 , GZMA and ITGA4 genes) are broadly distributed across the organs. Isolated lung primary bat pulmonary fibroblast (BPF) cells were used to evaluate innate immunity, and they showed a weak response to interferon β and tumor necrosis factor-α compared to their human counterparts, consistent with our transcriptional analysis. This compendium of transcriptome data provides a molecular foundation for understanding the cell identities, functions and cellular receptor characteristics for viral reservoirs and zoonotic transmission.

Abstract Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) and its emerging variants of concern (VOC), such as Delta (B.1.617.2) and Omicron (B.1.1.529), has continued to drive the worldwide pandemic. Therefore, there is a high demand for vaccines with enhanced efficacy, high thermostability, superior design flexibility, and fast manufacturing speed. Here, we report a circular RNA (circRNA) vaccine that encodes the trimeric RBD of SARS-CoV-2 Spike protein. Without the need of nucleotide modification, 5’-capping or 3’-polyadenylation, circRNA could be rapidly produced via in vitro transcription and is highly thermostable whether stored in naked or lipid-nanoparticle (LNP)-encapsulated format. LNP-encapsulated circRNA RBD elicited potent neutralizing antibodies and T cell responses, providing robust protection against Beta (B.1.351) and native viruses in mice and rhesus macaques, respectively. Notably, circRNA vaccine enabled higher and more durable antigen production than 1mΨ-modified mRNA vaccine, eliciting a higher proportion of neutralizing antibodies and stronger Th1-biased immune responses. Importantly, we found that circRNA RBD-Omicron vaccine induced effective neutralizing antibodies against only Omicron but not Delta variant. By contrast, circRNA RBD-Delta could elicit high level of neutralizing antibodies against both Delta and Omicron. Following two doses of either native- or Delta-specific vaccination, circRNA RBD-Delta , but not Omicron or Beta vaccines, could effectively boost the neutralizing antibodies against both Delta and Omicron variants. These results suggest that circRNA RBD-Delta is a favorable choice for vaccination to provide a broad-spectrum protection against the current variants of concern of SARS-CoV-2.

Abstract Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) has spread across more than 200 countries and regions, leading to an unprecedented medical burden and live lost. SARS-CoV-2 specific antivirals or prophylactic vaccines are not available. Neutralizing antibodies provide efficient blockade for viral infection and are a promising category of biological therapies. Using SARS-CoV-2 spike RBD as a bait, we have discovered a panel of humanized single domain antibodies (sdAbs). These sdAbs revealed binding kinetics with the equilibrium dissociation constant (KD) of 0.7~33 nM. The monomeric sdAbs showed half maximal inhibitory concentration (IC 50 ) of 0.003~0.3 μg/mL in pseudotyped particle neutralization assay, and 0.23~0.50 μg/mL in authentic SARS-CoV-2 neutralization assay. Competitive ligand-binding data suggested that the sdAbs either completely blocked or significantly inhibited the association between SARS-CoV-2 RBD and viral entry receptor ACE2. Finally, we showed that fusion of the human IgG1 Fc to sdAbs improved their neutralization activity by tens of times. These results reveal the novel SARS-CoV-2 RBD targeting sdAbs and pave a road for antibody drug development.

SUMMARY SARS-CoV-2 is an RNA virus of the Coronaviridae family that is the causal pathogen of the ongoing Coronavirus Disease 2019 pandemic. There are currently no antiviral drugs or vaccines to treat COVID-19, and the failure to identify effective interventions can be blamed on our incomplete understanding of the nature of this virus and its host cell infection process. Here, we experimentally determined structural maps of the SARS-CoV-2 RNA genome in infected human cells and also characterized in vitro refolded RNA structures for SARS-CoV-2 and 6 other coronaviruses. Our in vivo data confirms several structural elements predicted from theoretical analysis and goes much further in revealing many previously unknown structural features that functionally impact viral translation and discontinuous transcription in cells. Importantly, we harnessed our in vivo structure data alongside a deep-learning tool and accurately predicted several dozen functionally related host cell proteins that bind to the SARS-CoV-2 RNA genome, none of which were known previously. Thus, our in vivo structural study lays a foundation for coronavirus RNA biology and indicates promising directions for the rapid development of therapeutics to treat COVID-19. HIGHLIGHTS We mapped the in vivo structure and built secondary structural models of the SARS-CoV-2 RNA genome We discovered functionally impactful structural features in the RNA genomes of multiple coronaviruses We predicted and validated host cell proteins that bind to the SARS-CoV-2 RNA genome based on our in vivo RNA structural data using a deep-learning tool

Abstract Neutralizing antibodies (Abs) have been considered as promising therapeutics for the prevention and treatment of pathogens. After the outbreak of COVID-19, potent neutralizing Abs to SARS-CoV-2 were promptly developed, and a few of those neutralizing Abs are being tested in clinical studies. However, there were few methodologies detailly reported on how to rapidly and efficiently generate neutralizing Abs of interest. Here, we present a strategically optimized method for precisive screening of neutralizing monoclonal antibodies (mAbs), which enabled us to identify SARS-CoV-2 receptor-binding domain (RBD) specific Abs within 4 days, followed by another 2 days for neutralization activity evaluation. By applying the screening system, we obtained 198 Abs against the RBD of SARS-CoV-2. Excitingly, we found that approximately 50% (96/198) of them were candidate neutralizing Abs in a preliminary screening of SARS-CoV-2 pseudovirus and 20 of these 96 neutralizing Abs were confirmed with high potency. Furthermore, 2 mAbs with the highest neutralizing potency were identified to block authentic SARS-CoV-2 with the half-maximal inhibitory concentration (IC50) at concentrations of 9.88 ng/ml and 11.13 ng/ml. In this report, we demonstrated that the optimized neutralizing Abs screening system is useful for the rapid and efficient discovery of potent neutralizing Abs against SARS-CoV-2. Our study provides a methodology for the generation of preventive and therapeutic antibody drugs for emerging infectious diseases.

Advanced maternal age is characterized by declines in the quantity and quality of oocytes in the ovaries, and the aging process is accompanied by changes in gut microbiota composition. However, little is known about the relationship between gut microbiota and ovarian aging. By using fecal microbiota transplantation (FMT) to transplant material from young (5-week-old) into aged (42-week-old) mice, we find that the composition of gut microbiota in FMT-treated mice presents a "younger-like phenotype" and an increase of commensal bacteria, such as Bifidobacterium and Ruminococcaceae. Moreover, the FMT-treated mice show increased anti-inflammatory cytokine IL-4 and decreased pro-inflammatory cytokine IFN-γ. Fertility tests for assessing ovarian function reveal that the first litter size of female FMT-treated mice is significantly higher than that of the non-FMT group. Morphology analysis demonstrates a dramatic decrease in follicle atresia and apoptosis as well as an increase in cellular proliferation in the ovaries of the FMT-treated mice. Our results also show that FMT improves the immune microenvironment in aged ovaries, with decreased macrophages and macrophage-derived multinucleated giant cells (MNGCs). These results suggest that FMT from young donors could be a good choice for delaying ovarian aging.

ABSTRACT Despite the growing knowledge of T cell responses and their epitopes in COVID-19 patients, there is a lack of detailed characterizations for T cell-antigen interactions and T cell functions. Using a peptide library predicted with HLA class I-restriction, specific CD8 + T cell responses were identified in over 75% of COVID-19 convalescent patients. Among the 15 SARS-CoV-2 epitopes identified from the S and N proteins, N 361-369 (KTFPPTEPK) was the most dominant epitope. Importantly, we discovered 2 N 361-369 -specific T cell receptors (TCRs) with high functional avidity, and they exhibited complementary cross-reactivity to reported N 361-369 mutant variants. In dendritic cells (DCs) and the lung organoid model, we found that the N 361-369 epitope could be processed and endogenously presented to elicit the activation and cytotoxicity of CD8 + T cells ex vivo . Our study evidenced potential mechanisms of cellular immunity to SARS-CoV-2, illuminating natural ways of viral clearance with high relevancy in the vaccine development.

Abstract The spread of SARS-CoV-2 confers a serious threat to the public health without effective intervention strategies 1–3 . Its variant carrying mutated Spike (S) protein D614G (S D614G ) has become the most prevalent form in the current global pandemic 4,5 . We have identified a large panel of potential neutralizing antibodies (NAbs) targeting the receptor-binding domain (RBD) of SARS-CoV-2 S 6 . Here, we focused on the top 20 potential NAbs for the mechanism study. Of them, the top 4 NAbs could individually neutralize both authentic SARS-CoV-2 and S D614G pseudovirus efficiently. Our epitope mapping revealed that 16/20 potent NAbs overlapped the same steric epitope. Excitingly, we found that one of these potent NAbs (58G6) exclusively bound to a linear epitope on S-RBD (termed as 58G6e), and the interaction of 58G6e and the recombinant ACE2 could be blocked by 58G6. We confirmed that 58G6e represented a key site of vulnerability on S-RBD and it could positively react with COVID-19 convalescent patients’ plasma. We are the first, as far as we know, to provide direct evidences of a linear epitope that can be recognized by a potent NAb against SARS-CoV-2 S-RBD. This study paves the way for the applications of these NAbs and the potential safe and effective vaccine design.

Abstract COVID-19 pandemic has infected millions of people with mortality exceeding 300,000. There is an urgent need to find therapeutic agents that can help clear the virus to prevent the severe disease and death. Identifying effective and safer drugs can provide with more options to treat the COVID-19 infections either alone or in combination. Here we performed a high throughput screen of approximately 1700 US FDA approved compounds to identify novel therapeutic agents that can effectively inhibit replication of coronaviruses including SARS-CoV-2. Our two-step screen first used a human coronavirus strain OC43 to identify compounds with anti-coronaviral activities. The effective compounds were then screened for their effectiveness in inhibiting SARS-CoV-2. These screens have identified 24 anti-SARS-CoV-2 drugs including previously reported compounds such as hydroxychloroquine, amlodipine, arbidol hydrochloride, tilorone 2HCl, dronedarone hydrochloride, and merfloquine hydrochloride. Five of the newly identified drugs had a safety index (cytotoxic/effective concentration) of >600, indicating wide therapeutic window compared to hydroxychloroquine which had safety index of 22 in similar experiments. Mechanistically, five of the effective compounds were found to block SARS-CoV-2 S protein-mediated cell fusion. These FDA approved compounds can provide much needed therapeutic options that we urgently need in the midst of the pandemic.