ABSTRACT We report temporal patterns of viral shedding in 94 laboratory-confirmed COVID-19 patients and modelled COVID-19 infectiousness profile from a separate sample of 77 infector-infectee transmission pairs. We observed the highest viral load in throat swabs at the time of symptom onset, and inferred that infectiousness peaked on or before symptom onset. We estimated that 44% of transmission could occur before first symptoms of the index. Disease control measures should be adjusted to account for probable substantial pre-symptomatic transmission.

ABSTRACT As of middle May 2020, the causative agent of COVID-19, SARS-CoV-2, has infected over 4 million people with more than 300 thousand death as official reports 1,2 . The key to understanding the biology and virus-host interactions of SARS-CoV-2 requires the knowledge of mutation and evolution of this virus at both inter- and intra-host levels. However, despite quite a few polymorphic sites identified among SARS-CoV-2 populations, intra-host variant spectra and their evolutionary dynamics remain mostly unknown. Here, using deep sequencing data, we achieved and characterized consensus genomes and intra-host genomic variants from 32 serial samples collected from eight patients with COVID-19. The 32 consensus genomes revealed the coexistence of different genotypes within the same patient. We further identified 40 intra-host single nucleotide variants (iSNVs). Most (30/40) iSNVs presented in single patient, while ten iSNVs were found in at least two patients or identical to consensus variants. Comparison of allele frequencies of the iSNVs revealed genetic divergence between intra-host populations of the respiratory tract (RT) and gastrointestinal tract (GIT), mostly driven by bottleneck events among intra-host transmissions. Nonetheless, we observed a maintained viral genetic diversity within GIT, showing an increased population with accumulated mutations developed in the tissue-specific environments. The iSNVs identified here not only show spatial divergence of intra-host viral populations, but also provide new insights into the complex virus-host interactions.

Abstract Background The rumen microbiota provides essential services to its host and, through its role in ruminant production, contributes to human nutrition and food security. A thorough knowledge of the genetic potential of rumen microbes will provide opportunities for improving the sustainability of ruminant production systems. The availability of gene reference catalogs from gut microbiomes has advanced the understanding of the role of the microbiota in health and disease in humans and other mammals. In this work, we established a catalog of reference prokaryote genes from the bovine rumen. Results Using deep metagenome sequencing we identified 13,825,880 non-redundant prokaryote genes from the bovine rumen. Compared to human, pig and mouse gut metagenome catalogs, the rumen is larger and richer in functions and microbial species associated with the degradation of plant cell wall material and production of methane. Genes encoding enzymes catalyzing the breakdown of plant polysaccharides showed a particularly high richness that is otherwise impossible to infer from available genomes or shallow metagenomics sequencing. The catalog expands by several folds the dataset of carbohydrate-degrading enzymes described in the rumen. Using an independent dataset from a group of 77 cattle fed 4 common dietary regimes, we found that only <0.1% of genes were shared by all animals, which contrast with a large overlap for functions, i.e. 63% for KEGG functions. Different diets induced differences in the relative abundance rather than the presence or absence of genes explaining the great adaptability of cattle to rapidly adjust to dietary changes. Conclusions These data bring new insights into functions, carbohydrate-degrading enzymes and microbes of the rumen that is complementing the available information on microbial genomes. The catalog is a significant biological resource enabling deeper understanding of phenotypes and biological processes and will be expanded as new data is made available.

Abstract RNA detection is crucial for biological research and clinical diagnosis. The current methods include both direct and amplification-based RNA detection. These methods require complicated procedures, suffering from low sensitivity, slow turnaround, and amplification bias. The CRISPR/Cas13a system is a direct RNA detection method via target RNA induced collateral cleavage activity. However, to detect low concentration RNA with CRISPR/Cas13a, target amplification is always required. Herein, we optimize the components of the CRISPR/Cas13a assay to enhance the sensitivity of viral RNA detection which improve the detection limit from 1 pM up to 100 fM. In addition, the integration of CRISPR/Cas13a biosensing and single molecule super resolution imaging is a novel strategy for direct and amplification-free RNA detection. After surface modification, fluorescent RNA reporters are immobilized on the glass coverslip surface and fluorescent signals are captured by total internal reflection fluorescence microscopy (TIRFM), shifting the measurement from spectroscopy to imaging. We quantify the fluorescence signal intensity before and after collateral cleavage of the CRISPR system when viral RNA is present and achieve a detection limit of 10 fM. Therefore, we provide a novel TIRFM-based system to visualize the CRISPR trans-cleavage for direct and robust RNA detection.

ABSTRACT Synthetic lethality — a genetic interaction that results in cell death when two genetic deficiencies co-occur but not when either deficiency occurs alone — can be co-opted for cancer therapeutics. A pair of paralog genes is among the most straightforward synthetic lethal interaction by virtue of their redundant functions. Here we demonstrate a paralog-based synthetic lethality by targeting Vaccinia-Related Kinase 1 (VRK1) in Vaccinia-Related Kinase 2 (VRK2)-methylated glioblastoma (GBM). VRK2 is silenced by promoter methylation in approximately two-thirds of GBM, an aggressive cancer with few available targeted therapies. Genetic knockdown of VRK1 in VRK2-null or VRK2-methylated cells results in decreased activity of the downstream substrate Barrier to Autointegration Factor (BAF), a regulator of post-mitotic nuclear envelope formation. VRK1 knockdown, and thus reduced BAF activity, causes nuclear lobulation, blebbing and micronucleation, which subsequently results in G2/M arrest and DNA damage. The VRK1-VRK2 synthetic lethal interaction is dependent on VRK1 kinase activity and is rescued by ectopic VRK2 expression. Knockdown of VRK1 leads to robust tumor growth inhibition in VRK2-methylated GBM xenografts. These results indicate that inhibiting VRK1 kinase activity could be a viable therapeutic strategy in VRK2-methylated GBM.

Abstract Atherosclerosis, the leading cause of cardiovascular disease, is a chronic inflammatory disease involving pathological activation of multiple cell types, such as immunocytes (e.g., macrophage, T cells), smooth muscle cells (SMCs), and endothelial cells. Multiple lines of evidence have suggested that SMC “phenotypic switching” plays a central role in atherosclerosis development and complications. Yet, SMC roles and mechanisms underlying the disease pathogenesis are poorly understood. Here, employing SMC lineage tracing mice, comprehensive molecular, cellular, histological, and computational profiling, coupled to genetic and pharmacological studies, we reveal that atherosclerosis, in terms of SMC behaviors, share extensive commonalities with tumors. SMC-derived cells in the disease show multiple characteristics of tumor cell biology, including genomic instability, replicative immortality, malignant proliferation, resistance to cell death, invasiveness, and activation of comprehensive cancer-associated gene regulatory networks. SMC-specific expression of oncogenic Kras G12D accelerates SMC phenotypic switching and exacerbates atherosclerosis. Moreover, we present a proof of concept showing that niraparib, an anti-cancer drug targeting DNA damage repair, attenuates atherosclerosis progression and induces regression of lesions in advanced disease in mouse models. Our work provides systematic evidence that atherosclerosis is a tumor-like disease, deepening the understanding of its pathogenesis and opening prospects for novel precision molecular strategies to prevent and treat atherosclerotic cardiovascular disease.

Abstract In mammals, the most remarkable T cell variations with aging are the shrinking of naïve T cell pool and enlargement of memory T cell pool, which are partially caused by thymic involution. However, it remains an enigma whether these T-cell-related changes are consequences or causes of mammalian aging. In this study, we find that the T-cell specific Rip1 KO mice present similar age-related T cell changes and exhibit signs of accelerated aging, including inflammation, multiple age-related diseases and a shorter lifespan. Mechanistically, T cells lacking RIP1 displayed excessive apoptosis, leading to T cell compensatory proliferation, hyperactivation, increased inflammation, and ultimately premature death. Consistent with this, blocking apoptosis by co-deletion of Fadd in Rip1 deficient T cells significantly recovered the lymphopenia and imbalance between naïve and memory T cell, substantially restored ageing-related phenotypes, and prolonged life span in T-cell specific Rip1 KO mice. These results suggest that changes in T cells play a causal role in mammalian aging. Therefore, replenishing or blocking apoptosis of naïve T cells could offer new therapeutic approaches for aging and age-related diseases.

ABSTRACT Background Genome-wide association studies revealed a robust association between genetic variants in the LIPA (lysosomal acid lipase) gene and coronary artery diseases (CAD), but not lipid traits. QTL studies support that the risk alleles of LIPA CAD variants are associated with higher LIPA mRNA and enzyme activity in human monocytes. Yet the variant-to-function relationship and how this important locus impacts disease etiology has not been fully established. Herein, we aim to determine the causal variant(s), involved cell type, and the target gene, establish the causality of the variant-to-function relationship, and elucidate how increased myeloid LIPA impacts atherosclerosis in vivo . Methods We apply functional genomic datasets, post-GWAS prioritization pipelines, and molecular biology techniques, incuding eQTL, enzyme activity-QTL, high-resolution Tri-HiC, ChIP-seq, and site-directed mutagenesis and luciferase assay to connect functional variants to the candidate genes in the causal cell type. To establish how increased myeloid LIPA impacts atherosclerosis, we generated myeloid-specific Lipa overexpression mice (Lipa Tg ) . Results Post-GWAS pipelines support LIPA as the candidate causal gene at the locus. In human monocyte-derived macrophages, LIPA mRNA, protein and enzyme activity were higher in the risk allele carriers of CAD variants. High-resolution Tri-HiC and luciferase assay confirmed an intronic enhancer region showing strong interaction with the LIPA promoter. Within the enhancer region, the risk alleles of rs1412444/rs1412445 and rs1320496 demonstrate enhanced binding to PU. 1, and acted as the functional variants with risk alleles leading to increased enhancer activity. The risk allele of rs1320496 is predicted to create a motif binding site for PU.1. The functional genomic data together support that LIPA is the candidate causal gene in the locus, and the risk alleles of CAD led to increased LIPA in a myeloid cell-specific manner. Consistently, mice with myeloid-specific Lipa overexpression on a Ldlr -/- background showed significantly increased atherosclerotic lesion size and lesion macrophage area without affecting plasma cholesterol. ScRNA-seq analysis showed that Lipa Tg led to reduced lipid-enriched yet increased inflammatory macrophage subsets, and activation chemokine signaling pathway. This was further confirmed by reduced neutral lipid accumulation in both plaque and peritoneal macrophages and significantly increased monocytes infiltration into the lesion in Lipa Tg mice. Conclusions We established that LIPA risk alleles drive increased myeloid LIPA and aggravate atherosclerosis. CLINICAL PERSPECTIVE What is New? CAD GWAS variants at the LIPA locus led to increased macrophage LIPA expression and enzyme activity. Myeloid-specific overexpression of Lipa exacerbates atherosclerosis. Our study connected the genetic variation to the involved cell type and the target gene, and the disease mechanism for this important locus. What are the Clinical Implications? GWAS and meta-analyses have identified over 200 loci for CAD. Establishing the candidate genes and their mechanistic studies inform novel biological mechanisms and therapeutic application. There is strong statistical evidence linking LIPA with CAD. By leveraging functional genomic studies and transgenic mice, our work established the direct causality that LIPA risk alleles drive increased myeloid LIPA and aggravate atherosclerosis. Establishing the variant-to-function relationship for this locus informs that increasing myeloid LIPA may not be a therapeutic strategy for CAD, despite the essential role of LIPA in regulating lysosomal lipid metabolism.

Abstract Despite the encouraging efficacy of anti-PD-1/PD-L1 immunotherapy in microsatellite instability-high/deficient mismatch repair (MSI-H/dMMR) advanced gastrointestinal cancer, many patients exhibit primary or acquired resistance. Using multi-omics approaches, we interrogated gut microbiome, blood metabolome and cytokines/chemokines of MSI-H/dMMR advanced gastrointestinal cancer patients (N=77) and identified a number of microbes (e.g. Alistipes putredinis) and metabolites (e.g. arginine and SCFA) highly associated with primary resistance. Fecal microbiota transplantation of patients’ stool replicated the clinical responsiveness as well as certain molecular signatures. Based on the clinical microbiome data, we developed a predictive machine learning model for primary resistance and achieved accuracy at 0.83 on an external validation set. Furthermore, several microbes were pinpointed which gradually changed during the process of acquired resistance. In summary, our study demonstrated the essential role of gut microbiome in drug resistance, and this could be utilized as a preventative diagnosis tool as well as therapeutic targets in the future.

Abstract A few animals have been suspected to be intermediate hosts of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2). However, a large-scale single-cell screening of SARS-CoV-2 target cells on a wide variety of animals is missing. Here, we constructed the single-cell atlas for 11 representative species in pets, livestock, poultry, and wildlife. Notably, the proportion of SARS-CoV-2 target cells in cat was found considerably higher than other species we investigated and SARS-CoV-2 target cells were detected in multiple cell types of domestic pig, implying the necessity to carefully evaluate the risk of cats during the current COVID-19 pandemic and keep pigs under surveillance for the possibility of becoming intermediate hosts in future coronavirus outbreak. Furthermore, we screened the expression patterns of receptors for 144 viruses, resulting in a comprehensive atlas of virus target cells. Taken together, our work provides a novel and fundamental strategy to screen virus target cells and susceptible species, based on single-cell transcriptomes we generated for domesticated animals and wildlife, which could function as a valuable resource for controlling current pandemics and serve as an early warning system for coping with future infectious disease threats.