Abstract Cellular function in tissue is dependent upon the local environment, requiring new methods for spatial mapping of biomolecules and cells in the tissue context. The emergence of spatial transcriptomics has enabled genome-scale gene expression mapping, but it remains elusive to capture spatial epigenetic information of tissue at cellular level and genome scale. Here we report on spatial-ATAC-seq: spatially resolved chromatin accessibility profiling of tissue section via next-generation sequencing by combining in situ Tn5 transposition chemistry and microfluidic deterministic barcoding. Spatial chromatin accessibility profiling of mouse embryos delineated tissue region-specific epigenetic landscapes and identified gene regulators implicated in the central nerve system development. Mapping the accessible genome in human tonsil tissue with 20μm pixel size revealed spatially distinct organization of immune cell types and states in lymphoid follicles and extrafollicular zones. This technology takes spatial biology to a new realm by enabling spatially resolved epigenomics to improve our understanding of cell identity, state, and fate decision in relation to epigenetic underpinnings in development and disease.

Abstract Spatial biology is emerging as a new frontier of biomedical research in development and disease, but currently limited to transcriptome and a panel of proteins. Here we present spatial epigenome profiling for three histone modifications (H3K27me3, H3K4me3, H3K27ac) via next-generation sequencing by combining in-tissue CUT&Tag chemistry and microfluidic deterministic barcoding. Spatial chromatin states in mouse embryos or olfactory bulbs revealed tissue type-specific epigenetic regulations, in concordance with ENCODE reference data, but providing spatially resolved genome-wide profiles at tissue scale. Using fluorescence imaging to identify the tissue pixels (20μm) each containing one nucleus allowed us to extract single-cell epigenomes in situ. Spatial chromatin state profiling in tissue may enable unprecedented opportunities to study epigenetic regulation, cell function and fate decision in normal physiology and pathogenesis.

Abstract Non-enveloped viruses require cell lysis to release new virions from infected cells, suggesting that these viruses require mechanisms to induce cell death. Noroviruses are one such group of viruses, but a mechanism of norovirus-infection triggered cell death and lysis are unknown. Here we have identified a molecular mechanism of norovirus-induced cell death. We found that the norovirus-encoded NTPase contains a N-terminal four helix bundle domain homologous to the pore forming domain of the pseudokinase Mixed Lineage Kinase Domain-Like (MLKL). Norovirus NTPase acquired a mitochondrial localization signal, thereby inducing cell death by targeting mitochondria. NTPase full length (NTPase-FL) and N-terminal fragment (NTPase-NT) bound mitochondrial membrane lipid cardiolipin, permeabilized mitochondrial membrane and induced mitochondrial dysfunction. Both the N-terminal region and the mitochondrial localization motif of NTPase were essential for cell death, virus egress from cells and virus replication in mice. These findings suggest that noroviruses stole a MLKL-like pore forming domain and co-opted it to facilitate viral egress by inducing mitochondrial dysfunction.

Abstract Epilepsy affects millions globally, and drug-resistant epilepsy remains a challenge. Molecular mechanisms underlying epilepsy remain elusive. Protein profiling through proteomics offers insight into biomarkers and therapeutic targets. Human brain tissue from epilepsy surgeries was analyzed using data-independent acquisition (DIA) proteomics. Samples were categorized into Core (epileptogenic focus), Border (marginal excision tissue), and Nonepileptic control groups. Differential expression proteins (DEPs) were identified and shared proteins were analyzed. 163 DEPs were identified which may has potential roles in the initiation of epileptic electrical firing, 412 DEPs which indicating the difference between epilepsy and Nonepilepsy patients and 10 DEPs consistently altered in Core which indicating potential roles in epileptogenesis. Notably, P35754/GLRX, O75335/PPFIA4, and Q96KP4/CNDP2 were consistently expressed differently in all group pairs. From validation experiments, the expression of Kv3.2 significant reduced in the Core group compare to border group by immunohistochemistry and knockdown of Kv3.2 increased seizure susceptibility and altered neuronal excitability through our cellular and animal experimentation.

Spatial gene expression heterogeneity plays an essential role in a range of biological, physiological and pathological processes but it remains a challenge to conduct high spatial resolution, genome wide, unbiased biomolecular profiling over a large tissue area. Herein, we present a fundamentally new approach called microfluidic Deterministic Barcoding in Tissue for spatial omics sequencing (DBiTseq). It permits simultaneous barcoding of mRNAs, proteins, or even other omics on a fixed tissue slide to construct high spatial resolution multiomics atlas by deep sequencing. Applying it to mouse embryo tissues revealed major tissue types in early organogenesis, distinguished brain microvascular networks, discovered new developmental patterning in forebrain, and demonstrated the ability to detect a single cell layer of melanocytes lining an optical vesicle. DBiTseq can be readily adopted by biologists with no experience in microfluidics or advanced imaging, and could be quickly disseminated for broader impacts in a variety of fields including developmental biology, cancer biology, neuroscience, and clinical pathology.

Abstract A thorough understanding of the cell behaviors of the human neural grafts is fundamental to exploit them to achieve cell therapy for recovering brain functions. Here by using immunohistological staining, we trace the cell fate of the intrastriatal human neural progenitor cell (NPC) grafts up to 9 months in adult rats, with multiple examining time points to provide a unified working time frame for future transplantation study. Lots of Nestin+/Sox2+ human cells continuously migrate along the white matter tracts into distal brain parenchyma even long time after transplantation, providing a potential for curing diffuse brain damage. Further analysis reveals a significant heterogeneity of the long-term sustained neural stem cells (NSC)/NPCs that progressing throughout different stages, mimicking the neural development of human forebrain. More importantly, the initial GFAP expression in human grafts marks the NSC progression instead of terminal astrocyte differentiation. The distally migrating human cells continuously show the capability to produce new neurons, albeit at a low efficiency in the intact brain. Further investigations in neural disease models are needed. Such study would benefit neural cell therapy with regarding to the optimization of the transplantation strategy and choosing of acting mode by neural grafts (e.g. via cell replacement or ex vivo gene therapy).

In maintaining organismal homeostasis, gut immunity plays a crucial role. The coordination between the microbiota and the immune system through bidirectional interactions regulates the impact of microorganisms on the host. Our research focused on understanding the relationship between substantial changes in jejunal intestinal flora and metabolites and intestinal immunity during porcine epidemic diarrhea virus (PEDV) infection in piglets. We discovered that Lactobacillus rhamnosus GG (LGG) could effectively prevent PEDV infection in piglets. Further investigation revealed that LGG metabolites interact with type 3 innate lymphoid cells (ILC3) in the jejunum of piglets through the aryl hydrocarbon receptor (AhR). This interaction promotes the activation of ILC3 cells and the production of interleukin-22 (IL-22). Subsequently, IL-22 facilitates the proliferation of IPEC-J2 cells and activates the STAT3 signaling pathway, thereby preventing PEDV infection. Moreover, the AhR receptor exerts its influence on various cell types within organoids, including intestinal stem cells (ISCs), Paneth cells, and enterocytes, fostering their growth and development, suggesting a broad impact of AhR on intestinal health. In conclusion, our study demonstrates the ability of LGG to modulate intestinal immunity and effectively prevent PEDV infection in piglets. These findings highlight the potential application of LGG as a preventive measure against viral infections in livestock.

Numerous studies have shown that many genes and proteins in plants are involved in the regulation of plant resistance to abiotic and biotic stresses. The researches on the stress tolerance of crops are also the focus of many researchers. To provides a reliable platform for collecting and retrieving genetic and protein information related to stress tolerance found in crops, we constructed CSTDB (Crops Stress-tolerance Database), an integrated database that includes stress-tolerance genes and proteins for many crop species. The database was developed based on convolutional neural network technology. It is a web-accessible database that contains detailed information on the stress-tolerance genes and proteins of major crop species. Currently, the database records four major crops containing 1,371 abiotic stress-tolerance genes or proteins, and 207 genes or proteins associated with biotic stress. Each gene and protein has detailed functional information and sequence information, such as stress types, Genbank ID, Pubmed ID, Protein ID, 3D model picture and FASTA files. As a user-friendly browsing tool, this database provides search functions, BALST functions and file download functions. CSTDB can be a valuable resource, which is designed to meet the broad needs of researchers working on crops stress-tolerance experiments. Database URL: http://pcsb.ahau.edu.cn:8080/CSTDB

We present a multimodal label-free interferometric imaging platform for measuring intracellular nanoscale structure and macromolecular dynamics in living cells with a sensitivity to macromolecules as small as 20nm and millisecond temporal resolution. We validate this system by pairing experimental measurements of nanosphere phantoms with a novel interferometric theory. Applying this system in vitro, we explore changes in higher-order chromatin structure and dynamics that occur due to cellular fixation, stem cell differentiation, and ultraviolet (UV) light irradiation. Finally, we discover a new phenomenon, cellular paroxysm, a near-instantaneous, synchronous burst of motion that occurs early in the process of UV induced cell death. Given this platforms ability to obtain nanoscale sensitive, millisecond resolved information within live cells without concerns of photobleaching, it has the potential to answer a broad range of critical biological questions about macromolecular behavior in live cells, particularly about the relationship between cellular structure and function.

This study investigates the energy strategies of a small mammal in response to food shortages as a function of food restriction (FR), metabolic rate and ambient temperature. We subjected tree shrews (Tupaia belangeri) to FR and measured body mass, survival rate, resting metabolic rate (RMR), nonshivering thermogenesis (NST) and cytochrome c oxidase (COX) activity of brown adipose tissue (BAT). Cold-exposed animals restricted to 80% of ad libitum food intake had significantly increased RMR and NST and decreased body mass and survival rates compared with those kept at room temperature on the same FR level. Animals classified has having a high RMR consumed 30.69% more food than those classified as having a low RMR, but showed no differences in body mass or survival when restricted to 80% of ad libitum food intake. These results indicate that tree shrews, known for their relatively high metabolic rates, are sensitive to periods of FR, which supports the metabolic switch hypothesis. Our findings are also consistent with the prediction that small mammals with food hoarding behaviors, like tree shrews, may have a lower tolerance for food shortages than non-hoarding species.