Abstract The characterization of baseline microbial and functional diversity in the human microbiome has enabled studies of microbiome-related disease, diversity, biogeography, and molecular function. The National Institutes of Health Human Microbiome Project has provided one of the broadest such characterizations so far. Here we introduce a second wave of data from the study, comprising 1,631 new metagenomes (2,355 total) targeting diverse body sites with multiple time points in 265 individuals. We applied updated profiling and assembly methods to provide new characterizations of microbiome personalization. Strain identification revealed subspecies clades specific to body sites; it also quantified species with phylogenetic diversity under-represented in isolate genomes. Body-wide functional profiling classified pathways into universal, human-enriched, and body site-enriched subsets. Finally, temporal analysis decomposed microbial variation into rapidly variable, moderately variable, and stable subsets. This study furthers our knowledge of baseline human microbial diversity and enables an understanding of personalized microbiome function and dynamics.

ABSTRACT We report the generation of a multimodal cell census and atlas of the mammalian primary motor cortex (MOp or M1) as the initial product of the BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN). This was achieved by coordinated large-scale analyses of single-cell transcriptomes, chromatin accessibility, DNA methylomes, spatially resolved single-cell transcriptomes, morphological and electrophysiological properties, and cellular resolution input-output mapping, integrated through cross-modal computational analysis. Together, our results advance the collective knowledge and understanding of brain cell type organization: First, our study reveals a unified molecular genetic landscape of cortical cell types that congruently integrates their transcriptome, open chromatin and DNA methylation maps. Second, cross-species analysis achieves a unified taxonomy of transcriptomic types and their hierarchical organization that are conserved from mouse to marmoset and human. Third, cross-modal analysis provides compelling evidence for the epigenomic, transcriptomic, and gene regulatory basis of neuronal phenotypes such as their physiological and anatomical properties, demonstrating the biological validity and genomic underpinning of neuron types and subtypes. Fourth, in situ single-cell transcriptomics provides a spatially-resolved cell type atlas of the motor cortex. Fifth, integrated transcriptomic, epigenomic and anatomical analyses reveal the correspondence between neural circuits and transcriptomic cell types. We further present an extensive genetic toolset for targeting and fate mapping glutamatergic projection neuron types toward linking their developmental trajectory to their circuit function. Together, our results establish a unified and mechanistic framework of neuronal cell type organization that integrates multi-layered molecular genetic and spatial information with multi-faceted phenotypic properties.

ABSTRACT Candida auris is an emerging nosocomial fungal pathogen associated with life-threatening invasive disease due to its persistent colonization, high level of transmissibility and multi-drug resistance. Aggregative and non-aggregative growth phenotypes for C. auris strains with different biofilm forming abilities, drug susceptibilities and virulence characteristics have been described. Using comprehensive transcriptional analysis we identified key cell surface adhesins that were highly upregulated in the aggregative phenotype during in vitro and in vivo grown biofilms using a mouse model of catheter infection. Phenotypic and functional evaluations of generated null mutants demonstrated crucial roles for the adhesins Als5 and Scf1 in mediating cell-cell adherence, coaggregation and biofilm formation. While individual mutants were largely non-aggregative, in combination cells were able to co-adhere and aggregate, as directly demonstrated by measuring cell adhesion forces using single-cell atomic force spectroscopy. This co-adherence indicates their role as complementary adhesins, which despite their limited similarity, may function redundantly to promote cell-cell interaction and biofilm formation. Functional diversity of cell wall proteins may be a form of regulation that provides the aggregative phenotype of C. auris with flexibility and rapid adaptation to the environment, potentially impacting persistence and virulence.

ABSTRACT Molecular mechanisms underlying aging associated impairments in learning and long-term memory storage are poorly understood. Here we leveraged the single identified motor neuron L7 in Aplysia, which mediates a form of non-associative learning, sensitization of the siphon-withdraw reflex, to assess the transcriptomic correlates of aging associated changes in learning. RNAseq analysis of the single L7 motor neuron isolated following short-term or long-term sensitization training of 8,10 and 12 months old Aplysia, corresponding to mature, late mature and senescent stages, has revealed progressive impairments in transcriptional plasticity during aging. Specifically, we observed modulation of the expression of multiple lncRNAs and mRNAs encoding transcription factors, regulators of translation, RNA methylation, and cytoskeletal rearrangements during learning and their deficits during aging. Our comparative gene expression analysis also revealed the recruitment of specific transcriptional changes in two other neurons, the motor neuron L11 and the giant cholinergic neuron R2 whose roles in long-term sensitization were previously not known. Taken together, our analyses establish cell type specific progressive impairments in the expression of learning- and memory-related components of the transcriptome during aging.

Trauma-related necrotizing myocutaneous mucormycosis (NMM) has a high morbidity and mortality in victims of combat-related injuries, geo-meteorological disasters, and severe burns. Inspired by the observation that several recent clusters of NMM have been associated with extreme mechanical forces (e.g. during tornados), we studied the impact of mechanical stress on Mucoralean biology and virulence in a Drosophila melanogaster infection model. In contrast to other experimental procedures to exert mechanical stress, tornadic shear challenge (TSC) by magnetic stirring induced a hyper-virulent phenotype in several clinically relevant Mucorales species but not in Aspergillus or Fusarium. Whereas fungal growth rates, morphogenesis, and susceptibility to noxious environments or phagocytes were not altered by TSC, soluble factors released in the supernatant of shear-challenged R. arrhizus spores rendered static spores hyper-virulent. Consistent with a rapid decay of TSC-induced hyper-virulence, minimal transcriptional changes were revealed by comparative RNA sequencing analysis of static and shear-challenged Rhizopus arrhizus. However, inhibition of the calcineurin/heat shock protein 90 (hsp90) stress response circuitry by cyclosporine A (CsA) and tanespimycin abrogated the increased pathogenicity of R. arrhizus spores following TSC. Similarly, calcineurin loss-of-function mutants of Mucor circinelloides displayed no increased virulence capacity in flies after undergoing TSC. Collectively, these results establish that TSC induces hyper-virulence specifically in Mucorales and point out the calcineurin/hsp90 pathway as a key orchestra-tor of this phenotype. Our findings invite future studies of topical calcineurin inhibitor treatment of wounds as an adjunct mitigation strategy for NMM following high-energy trauma.

Abstract During pulmonary mucormycosis, inhaled sporangiospores adhere to, germinate, and invade airway epithelial cells to establish infection. We provide evidence that HIF1α plays dual roles in airway epithelial cells during Mucorales infection. We observed an increase in HIF1α protein accumulation and increased expression of many known HIF1α-responsive genes during in vitro infection, indicating that HIF1α signaling is activated by Mucorales infection. Inhibition of HIF1α signaling led to a substantial decrease in the ability of R. delemar to invade cultured airway epithelial cells. Transcriptome analysis revealed that R. delemar infection induces the expression of many pro-inflammatory genes whose expression was significantly reduced by HIF1α inhibition. Importantly, pharmacological inhibition of HIF1α increased survival in a mouse model of pulmonary mucormycosis without reducing fungal burden. These results suggest that HIF1α plays two opposing roles during mucormycosis: one that facilitates the ability of Mucorales to invade the host cells and one that facilitates the ability of the host to mount an innate immune response.

Abstract The molecular mechanisms underlying age‐related declines in learning and long‐term memory are still not fully understood. To address this gap, our study focused on investigating the transcriptional landscape of a singularly identified motor neuron L7 in Aplysia, which is pivotal in a specific type of nonassociative learning known as sensitization of the siphon‐withdraw reflex. Employing total RNAseq analysis on a single isolated L7 motor neuron after short‐term or long‐term sensitization (LTS) training of Aplysia at 8, 10, and 12 months (representing mature, late mature, and senescent stages), we uncovered aberrant changes in transcriptional plasticity during the aging process. Our findings specifically highlight changes in the expression of messenger RNAs (mRNAs) that encode transcription factors, translation regulators, RNA methylation participants, and contributors to cytoskeletal rearrangements during learning and long noncoding RNAs (lncRNAs). Furthermore, our comparative gene expression analysis identified distinct transcriptional alterations in two other neurons, namely the motor neuron L11 and the giant cholinergic neuron R2, whose roles in LTS are not yet fully elucidated. Taken together, our analyses underscore cell type‐specific impairments in the expression of key components related to learning and memory within the transcriptome as organisms age, shedding light on the complex molecular mechanisms driving cognitive decline during aging.

ABSTRACT Scalable technologies to sequence the transcriptomes and epigenomes of single cells are transforming our understanding of cell types and cell states. The Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies (BRAIN) Initiative Cell Census Network (BICCN) is applying these technologies at unprecedented scale to map the cell types in the mammalian brain. In an effort to increase data FAIRness (Findable, Accessible, Interoperable, Reusable), the NIH has established repositories to make data generated by the BICCN and related BRAIN Initiative projects accessible to the broader research community. Here, we describe the Neuroscience Multi-Omic Archive (NeMO Archive; nemoarchive.org ), which serves as the primary repository for genomics data from the BRAIN Initiative. Working closely with other BRAIN Initiative researchers, we have organized these data into a continually expanding, curated repository, which contains transcriptomic and epigenomic data from over 50 million brain cells, including single-cell genomic data from all of the major regions of the adult and prenatal human and mouse brains, as well as substantial single-cell genomic data from non-human primates. We make available several tools for accessing these data, including a searchable web portal, a cloud-computing interface for large-scale data processing (implemented on Terra, terra.bio ), and a visualization and analysis platform, NeMO Analytics ( nemoanalytics.org ). KEY POINTS The Neuroscience Multi-Omic Archive serves as the genomics data repository for the BRAIN Initiative. Genomic data from >50 million cells span all the major regions of the brains of humans and mice. We provide a searchable web portal, a cloud-computing interface, and a data visualization platform.