Abstract Fast and reliable detection of patients with severe and heterogeneous illnesses is a major goal of precision medicine 1,2 . Patients with leukaemia can be identified using machine learning on the basis of their blood transcriptomes 3 . However, there is an increasing divide between what is technically possible and what is allowed, because of privacy legislation 4,5 . Here, to facilitate the integration of any medical data from any data owner worldwide without violating privacy laws, we introduce Swarm Learning—a decentralized machine-learning approach that unites edge computing, blockchain-based peer-to-peer networking and coordination while maintaining confidentiality without the need for a central coordinator, thereby going beyond federated learning. To illustrate the feasibility of using Swarm Learning to develop disease classifiers using distributed data, we chose four use cases of heterogeneous diseases (COVID-19, tuberculosis, leukaemia and lung pathologies). With more than 16,400 blood transcriptomes derived from 127 clinical studies with non-uniform distributions of cases and controls and substantial study biases, as well as more than 95,000 chest X-ray images, we show that Swarm Learning classifiers outperform those developed at individual sites. In addition, Swarm Learning completely fulfils local confidentiality regulations by design. We believe that this approach will notably accelerate the introduction of precision medicine.

We present a global atlas of 4,728 metagenomic samples from mass-transit systems in 60 cities over 3 years, representing the first systematic, worldwide catalog of the urban microbial ecosystem. This atlas provides an annotated, geospatial profile of microbial strains, functional characteristics, antimicrobial resistance (AMR) markers, and genetic elements, including 10,928 viruses, 1,302 bacteria, 2 archaea, and 838,532 CRISPR arrays not found in reference databases. We identified 4,246 known species of urban microorganisms and a consistent set of 31 species found in 97% of samples that were distinct from human commensal organisms. Profiles of AMR genes varied widely in type and density across cities. Cities showed distinct microbial taxonomic signatures that were driven by climate and geographic differences. These results constitute a high-resolution global metagenomic atlas that enables discovery of organisms and genes, highlights potential public health and forensic applications, and provides a culture-independent view of AMR burden in cities.

Abstract The SARS-CoV-2 virus is the causative agent of the global COVID-19 infectious disease outbreak, which can lead to acute respiratory distress syndrome (ARDS). However, it is still unclear how the virus interferes with immune cell and metabolic functions in the human body. In this study, we investigated the immune response in acute or convalescent COVID19 patients. We characterized the peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) using flow cytometry and found that CD8 + T cells were significantly subsided in moderate COVID-19 and convalescent patients. Furthermore, characterization of CD8 + T cells suggested that patients with a mild and moderate course of the COVID-19 disease and convalescent patients have significantly diminished expression of both perforin and granzyme A in CD8 + T cells. Using 1 H-NMR spectroscopy, we characterized the metabolic status of their autologous PBMCs. We found that fructose, lactate and taurine levels were elevated in infected (mild and moderate) patients compared with control and convalescent patients. Glucose, glutamate, formate and acetate levels were attenuated in COVID-19 (mild and moderate) patients. In summary, our report suggests that SARS-CoV-2 infection leads to disrupted CD8 + T cytotoxic functions and changes the overall metabolic functions of immune cells.

Abstract Gain-of-function mutations of the TLR adaptor and oncoprotein MyD88 drive B cell lymphomagenesis via sustained NF-κB activation. In myeloid cells, sustained TLR activation and NF-κB activation lead to the induction of inhibitory MYD88 splice variants that restrain prolonged NF-κB activation. We therefore sought to investigate whether such a negative feedback loop exists in B cells. Analyzing MYD88 splice variants in normal B cells and different primary B cell malignancies, we observed that MYD88 splice variants in transformed B cells are dominated by the canonical, strongly NF-κB-activating isoform of MYD88 and contain at least three novel, so far uncharacterized signaling-competent splice isoforms. TLR stimulation in B cells unexpectedly reinforces splicing of NF-κB-promoting, canonical isoforms rather than the ‘MyD88s’, a negative regulatory isoform that is typically induced by TLRs in myeloid cells. This suggests that an essential negative feedback loop restricting TLR signaling in myeloid cells at the level of alternative splicing, is missing in B cells, rendering B cells vulnerable to sustained NF-κB activation and eventual lymphomagenesis. Our results uncover MYD88 alternative splicing as an unappreciated promoter of B cell lymphomagenesis and provide a rationale why oncogenic MYD88 mutations are exclusively found in B cells.

Summary In early development, the environment triggers mnemonic epigenomic programs resulting in memory and learning experiences to confer cognitive phenotypes into adulthood. To uncover how environmental stimulation impacts the epigenome and genome organization, we used the paradigm of environmental enrichment (EE) in young mice constantly receiving novel stimulation. We profiled epigenome and chromatin architecture in whole cortex and sorted neurons by deep-sequencing techniques. Specifically, we studied chromatin accessibility, gene and protein regulation, and 3D genome conformation, combined with predicted enhancer and chromatin interactions. We identified increased chromatin accessibility, transcription factor binding including CTCF-mediated insulation, differential occupancy of H3K36me3 and H3K79me2, and changes in transcriptional programs required for neuronal development. EE stimuli led to local genome re-organization by inducing increased contacts between chromosomes 7 and 17 ( inter- chromosomal). Our findings support the notion that EE-induced learning and memory processes are directly associated with the epigenome and genome organization. Highlights - Environmental enrichment (EE) alters chromatin conformation, CTCF binding, and spatially 3D genome changes, thereby regulating cognitive function during the first steps of life after birth. - Transcription-associated gene body marks H3K79me2 and H3K36me3 are differently influenced by EE in cortical brain cells and binding is exacerbated upon stimulation in an age-dependent manner. - EE-induced changes of 3D genome organization increase inter- chromosomal interactions of genes associated with synaptic transmission and AMPA receptor genes on chromosomes 7 and 17.

Structural variants (SVs), including large deletions, duplications, inversions, translocations, and more complex events have the potential to disrupt gene function resulting in rare disease. Nevertheless, current pipelines and clinical decision support systems for exome sequencing (ES) tend to focus on small alterations such as single nucleotide variants (SNVs) and insertions-deletions shorter than 50 base pairs (indels). Additionally, detection and interpretation of large copy-number variants (CNVs) are frequently performed. However, detection of other types of SVs in ES data is hampered by the difficulty of identifying breakpoints in off-target (intergenic or intronic) regions, which makes robust identification of SVs challenging. In this paper, we demonstrate the utility of SV calling in ES resulting in a diagnostic yield of 0.4% (23 out of 5825 probands) for a large cohort of unsolved patients collected by the Solve-RD consortium. Remarkably, 8 out of 23 pathogenic SV were not found by comprehensive read-depth-based CNV analysis, resulting in a 0.13% increased diagnostic value.

Background: Infection of patients with multidrug-resistant (MDR) bacteria often leave very limited or no treatment options. The transfer of antimicrobial resistance genes (ARG) carrying plasmids between bacterial species by horizontal gene transfer represents an important mode of expansion of ARGs. Here, we evaluated the application of Nanopore sequencing technology in a hospital setting for monitoring the transfer and rapid evolution of antibiotic resistance plasmids within and across multiple species. Results: In 2009 we experienced an outbreak with an extensively multidrug resistant P. aeruginosa harboring the carbapenemase enzyme blaIMP-8, and in 2012 the first Citrobacter freundii and Citrobacter werkmanii harboring the same enzyme were detected. Using Nanopore and Illumina sequencing we conducted a comparative analysis of all blaIMP-8 bacteria isolated in our hospital over a 6-year period (n = 54). We developed the computational platforms pathoLogic and plasmIDent for Nanopore-based characterization of clinical isolates and monitoring of ARG transfer, comprising de-novo assembly of genomes and plasmids, polishing, QC, plasmid circularization, ARG annotation, comparative genome analysis of multiple isolates and visualization of results. Using plasmIDent we identified a 40 kb plasmid carrying blaIMP-8 in P. aeruginosa and C. freundii, verifying that plasmid transfer had occurred. Within C. freundii the plasmid underwent further evolution and plasmid fusion, resulting in a 164 kb mega-plasmid, which was transferred to C. werkmanii. Moreover, multiple rearrangements of the multidrug resistance gene cassette were detected in P. aeruginosa, including deletions and translocations of complete ARGs. Conclusion: Plasmid transfer, plasmid fusion and rearrangement of the multidrug resistance gene cassette mediated the rapid evolution of opportunistic pathogens in our hospital. We demonstrated the feasibility of tracking plasmid evolution dynamics and ARG transfer in clinical settings in a timely manner. The approach will allow for successful countermeasures to contain not only clonal, but also plasmid mediated outbreaks.

The continuous improvement of long-read sequencing technologies along with the development of ad-doc algorithms has launched a new de novo assembly era that promises high-quality genomes. However, it has proven difficult to use only long reads to generate accurate genome assemblies of large, repeat-rich human genomes. To date, most of the human genomes assembled from long error-prone reads add accurate short reads to further polish the consensus quality. Here, we report the development of a novel algorithm for hybrid assembly, Wengan, and the de novo assembly of four human genomes using a combination of sequencing data generated on ONT PromethION, PacBio Sequel, Illumina and MGI technology. Wengan implements efficient algorithms that exploit the sequence information of short and long reads to tackle assembly contiguity as well as consensus quality. The resulting genome assemblies have high contiguity (contig NG50:16.67-62.06 Mb), few assembly errors (contig NGA50:10.9-45.91 Mb), good consensus quality (QV:27.79- 33.61), and high gene completeness (BUSCO complete: 94.6-95.1%), while consuming low computational resources (CPU hours:153-1027). In particular, the Wengan assembly of the haploid CHM13 sample achieved a contig NG50 of 62.06 Mb (NGA50:45.91 Mb), which surpasses the contiguity of the current human reference genome (GRCh38 contig NG50:57.88 Mb). Providing highest quality at low computational cost, Wengan is an important step towards the democratization of the de novo assembly of human genomes. The Wengan assembler is available at https://github.com/adigenova/wengan .

Single-cell RNA sequencing studies into gene co-expression patterns could yield important new regulatory and functional insights, but have so far been limited by the confounding effects of cell differentiation and the cell cycle. We apply a tailored experimental design that eliminates these confounders, and report >80,000 intrinsically covarying gene pairs in mouse embryonic stem cells. These covariances form a network with biological properties, outlining known and novel gene interactions. We provide the first evidence that miRNAs naturally induce transcriptome-wide covariances, and compare the relative importance of nuclear organization, transcriptional and post-transcriptional regulation in defining covariances. We find that nuclear organization has the greatest impact, and that genes encoding for physically interacting proteins specifically tend to covary, suggesting importance for protein complex stoichiometry. Our results lend support to the concept of post-transcriptional 'RNA operons', but we further present evidence that nuclear proximity of genes on the same or even distinct chromosomes also provides substantial functional regulation in mammalian single cells.

Although studies have shown that urban environments and mass-transit systems have distinct genetic profiles, there are no systematic worldwide studies of these dense, human microbial ecosystems. To address this gap in knowledge, we created a global metagenomic and antimicrobial resistance (AMR) atlas of urban mass transit systems from 60 cities, spanning 4,728 samples and 4,424 taxonomically-defined microorganisms collected for three years. This atlas provides an annotated, geospatial profile of microbial strains, functional characteristics, antimicrobial resistance markers, and novel genetic elements, including 10,928 novel predicted viral species, 1302 novel bacteria, and 2 novel archaea. Urban microbiomes often resemble human commensal microbiomes from the skin and airways, but also contain a consistent "core" of 31 species which are predominantly not human commensal species. Samples show distinct microbial signatures which may be used to accurately predict properties of their city of origin including population, proximity to the coast, and taxonomic profile. These data also show that AMR density across cities varies by several orders of magnitude, including many AMRs present on plasmids with cosmopolitan distributions. Together, these results constitute a high-resolution, global metagenomic atlas, which enables the discovery of new genetic components of the built human environment, highlights potential forensic applications, and provides an essential first draft of the global AMR burden of the world's cities.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.