Abstract Technological and computational advancements in the fields of genomics and bioinformatics are providing exciting new opportunities for pathogen discovery and surveillance. In particular, single-molecule nucleotide sequence data originating from Oxford Nanopore Technologies (ONT) sequencing platforms can be bioinformatically leveraged, in real-time, for enhanced biosurveillance of a vast array of zoonoses. The recently released nanopore adaptive sampling (NAS) pipeline facilitates immediate mapping of individual nucleotide molecules (i.e., DNA, cDNA, and RNA) to a given reference as each molecule is sequenced. User-defined thresholds then allow for the retention or rejection of specific molecules, informed by the real-time reference mapping results, as they are physically passing through a given sequencing nanopore. Here, we show how NAS can be used to selectively sequence entire genomes of bacterial tick-borne pathogens circulating in wild populations of the blacklegged tick vector, Ixodes scapularis . The NAS method provided a two-fold increase in targeted pathogen sequences, successfully enriching for Borrelia ( Borreliella ) burgdorferi s.s.; Borrelia ( Borrelia ) miyamotoi ; Anaplasma phagocytophilum ; and Ehrlichia muris eauclairensis genomic DNA within our I. scapularis samples. Our results indicate that NAS has strong potential for real-time sequence-based pathogen surveillance.

ABSTRACT Throughout North America, chronic wasting disease (CWD) has emerged as perhaps the greatest threat to wild cervid populations, including white-tailed deer ( Odocoileus virginianus ). White-tailed deer are the most sought after big game species across North America with populations of various subspecies in nearly all Canadian provinces, the contiguous USA, and Mexico. Documented CWD cases have dramatically increased across the white-tailed deer range since the mid-1990s, including in Minnesota. CWD surveillance in free-ranging white-tailed deer and other cervid populations mainly depends upon immunodetection methods (e.g., immunohistochemistry [IHC] and enzyme-linked immunosorbent assay [ELISA]) on medial retropharyngeal lymph nodes and obex. More recent technologies centered on prion protein amplification methods of detection have shown promise as more sensitive and rapid CWD diagnostic tools. Here, we used blinded samples to test the efficacy of real time quaking-induced conversion (RT-QuIC) in comparison to ELISA and IHC for screening tissues, blood, and feces collected in 2019 from white-tailed deer in southeastern Minnesota, where CWD has been routinely detected since 2016. Our results support previous findings that RT-QuIC is a more sensitive tool for CWD detection than current antibody-based methods. Additionally, a CWD testing protocol that includes multiple lymphoid tissues (medial retropharyngeal lymph node, parotid lymph node, and palatine tonsil) per animal may effectively identify a greater number of CWD detections in a white-tailed deer population than a single sample type (i.e., medial retropharyngeal lymph nodes). These results reveal that the variability of CWD pathogenesis, sampling protocol, and testing platform must be considered for the effective detection and management of CWD throughout North America.

Abstract The golden lion tamarin ( Leontopithecus rosalia ) is an endangered Platyrrhine primate endemic to the Atlantic coastal forests of Brazil. Despite ongoing conservation efforts, genetic data on this species remains scarce. Complicating factors include limitations on sample collection and a lack of high-quality reference sequences. Here, we used nanopore adaptive sampling to resequence the L. rosalia mitogenome from feces, a sample which can be collected non-invasively. Adaptive sampling doubled the fraction of both host-derived and mitochondrial sequences compared to sequencing without enrichment. 258x coverage of the L. rosalia mitogenome was achieved in a single flow cell by targeting the unfinished genome of the distantly related emperor tamarin ( Saguinus imperator ) and the mitogenome of the closely related black lion tamarin ( Leontopithecus chrysopygus ). The L. rosalia mitogenome has a length of 16,597 bp, sharing 99.68% sequence identity with the L. chrysopygus mitogenome. A total of 38 SNPs between them were identified, with the majority being found in the non-coding D-loop region. DNA methylation and hydroxymethylation were directly detected using a neural network model applied to the raw signal from the MinION sequencer. In contrast to prior reports, DNA methylation was negligible in mitochondria in both CpG and non-CpG contexts. Surprisingly, a quarter of the 642 CpG sites exhibited DNA hydroxymethylation greater than 1% and 44 sites were above 5%, with concentration in the 3’ side of several coding regions. Overall, we report a robust new mitogenome assembly for L. rosalia and direct detection of cytosine base modifications in all contexts.

Abstract Blood-feeding insects are important vectors for an array of zoonotic pathogens. Despite significant research focused on well-documented insect vectors of One Health importance, resources for molecular species identification of a large number of hematophagous arthropods are limited. Advancements in next-generation sequencing technologies provide opportunities for targeting mitochondrial genomes of blood-feeding insects, as well as their bloodmeal hosts. This dual approach holds great promise for elucidating complex disease transmission pathways and enhancing the molecular resources for the identification of cryptic insect species. To this end, we leveraged the newly developed Oxford Nanopore Adaptive Sampling (NAS) pipeline to dually sequence the mitogenomes of hematophagous insects and their bloodmeals. Using NAS, we sequenced the entire mitogenomes of Aedes vexans , Culex restuans , Culex territans , and Chrysops niger and successfully identified bloodmeal hosts of Chrysops niger , Culex restuans , and Aedes trivittatus . We show that NAS has the utility to simultaneously molecularly identify blood-feeding insects and characterize disease transmission pathways through bloodmeal host identification. Moreover, our data indicate NAS can facilitate a wide array of molecular systematic studies through novel ‘phylogenetic capture’ methods. We conclude the NAS approach has great potential for informing global One Health initiatives centered on the mitigation of vector-borne disease through dual vector and bloodmeal identification.

Abstract Neurodegenerative protein misfolding diseases impact tens of millions of people worldwide, contributing to millions of deaths and economic hardships across multiple scales. The prevalence of neurodegenerative disease is predicted to greatly increase over the coming decades, yet effective diagnostics for such diseases are limited. Most diagnoses come from the observation of external symptoms in clinical settings, which typically manifest during relatively advanced stages of disease, thus limiting potential therapeutic applications. While progress is being made on biomarker testing, the underlying methods largely rely on fragile and expensive equipment that limits their point-of-care potential, especially in developing countries. Here we present Capillary-based Quaking Induced Conversion (Cap-QuIC) as a visual diagnostic assay based on simple capillary action for the detection of neurodegenerative disease without necessitating expensive and complex capital equipment. We demonstrate that Cap-QuIC has the potential to be a detection tool for a broad range of misfolded proteins by successfully distinguishing misfolded versus healthy proteins associated with Parkinson’s disease ( α -synuclein) and Chronic Wasting Disease (prions). Additionally, we show that Cap-QuIC can accurately classify biological tissue samples from wild white-tailed deer infected with Chronic Wasting Disease. Our findings elucidate the underlying mechanism that enables the Cap-QuIC assay to distinguish misfolded protein, highlighting its potential as a diagnostic technology for neurodegenerative diseases.

Abstract Alzheimer’s disease (AD) is a fatal neurodegenerative disease that involves early and significant neuropathological changes within the entorhinal cortex (EC). Many have reported on neuronal loss and synaptic dysfunction in the brains of AD patients and AD models. In parallel, abnormalities of neuropeptides (NPs) that play important roles in modulating neuronal activities are commonly observed in AD and other neurodegenerative diseases. However, the involvement of NPs has mostly been studied in the context of neurons; a cell type-specific examination of NP expression in AD brains is needed. Here, we aim to examine the NP networks in the EC of AD brains using single-nuclei and bulk transcriptomic data from other regions in the temporal cortex, focusing on the gene expression of NP and their cognate G-protein coupled receptors. We find that NP genes were expressed by all major cell types in the brain and there was a significant decrease in the quantity and the proportion of cells that express NPs in AD EC cells. On the contrary, the overall expression of GPCR genes showed an increase in AD cells, likely reflecting ongoing compensatory mechanisms in AD brains. In addition, we report that there was a disproportionate absence of cells expressing higher levels and greater diversity of NPs in AD brains. Finally, we established a negative correlation between age and the abundance of AD-associated NPs in the hippocampus, supporting that the disruption of the NP signaling network in the EC may contribute to the early pathogenesis of AD. In short, we report widespread disruption of the NP networks in AD brains at the single-cell level. In light of our results, we hypothesize that brain cells, especially neurons, that express high levels of NPs may exhibit selective vulnerability to AD. Moreover, it is likely AD brains undergo specific adaptive changes to fluctuating NP signaling, a process that can likely be targeted with therapeutic approaches aimed at stabilizing NP expression landscapes. Given that GPCRs are one of the most druggable targets for neurological diseases and disorders, we believe NP signaling pathways can be harnessed for future biomarkers and treatment strategies for AD.

Abstract Chronic Wasting Disease (CWD), a prion disease of cervids, has been identified across North America, Northern Europe and Korea. Diagnostic tools for the rapid and reliable detection of prion diseases are limited. Here, we combine gold nanoparticles (AuNPs) and quaking induced conversion (QuIC) technologies for the visual detection of amplified misfolded prion proteins from tissues of wild white-tailed deer infected with Chronic Wasting Disease (CWD). Our newly developed diagnostic test, MN-QuIC, enables both naked-eye and light-absorbance measurements for the detection of misfolded prions. The MN-QuIC assay leverages basic laboratory equipment that is cost-effective and portable, thus facilitating real-time prion diagnostics across a variety of settings. To test the portability of our assay, we deployed to a rural field station in southeastern Minnesota and tested for CWD on site. We successfully demonstrated that MN-QuIC is functional in a non-traditional laboratory setting by performing a blinded analysis in the field and correctly identifying all CWD positive and CWD not detected (independently confirmed with ELISA and/or IHC tests) animals at the field site, thus documenting the portability of the assay. Additionally, we show that electrostatic forces and concentration effects help govern the AuNP/prion interactions and contribute to the differentiation of CWD-prion positive and negative samples. We examined 17 CWD-positive and 24 CWD-not-detected white-tailed deer tissues that were independently tested using ELISA, IHC, and RT-QuIC technologies, and results secured with MN-QuIC were 100% consistent with these tests. We conclude that hybrid AuNP and QuIC assays, such as MN-QuIC, have great potential for sensitive, field-deployable diagnostics for a variety of protein misfolding diseases.

Abstract The effective control of rodent populations on farms is a critical component of food- safety, as rodents are reservoirs and vectors for many foodborne pathogens in addition to several zoonotic pathogens. The functional role of rodents in the amplification and transmission of pathogens is likely underappreciated. Clear links have been identified between rodents and outbreaks of pathogens throughout Europe and Asia, however, comparatively little research has been devoted to studying this rodent-agricultural interface in the USA, particularly across the Midwest. Here, we address this existing knowledge gap by characterizing the metagenomic communities of rodent pests collected from Minnesota and Wisconsin food animal farms. We leveraged the Oxford Nanopore MinION sequencer to provide a rapid real-time survey of the putative zoonotic food- borne and other human pathogens. Rodents (mice and rats) were live trapped from three dairy and mixed animal farms. Tissues and fecal samples were collected from all rodents. DNA extraction was performed on 90 rodent colons along with 2 shrew colons included as outgroups in the study. Full-length 16S amplicon sequencing was performed with the MinION. Our data suggests the presence of putative foodborne pathogens including Salmonella spp., Campylobacter spp ., Staphylococcus aureus , and Clostridium spp. , along with many important mastitis pathogens. A critically important observation is that we discovered these pathogens within all five species of rodents ( Microtus pennsylvanicus, Mus musculus, Peromyscus leucopus, Peromyscus maniculatus , and Rattus norvegicus ) and shrew ( Blarina brevicauda ) in varying abundances. Interestingly, we observed a higher abundance of enteric pathogens (e.g. S almonella ) in shrew feces compared to the rodents analyzed in our study, however more data is required to establish that connection. Knowledge gained from our research efforts will directly inform and improve upon farm-level biosecurity efforts and public health interventions to reduce future outbreaks of foodborne and zoonotic disease.

Abstract Protein misfolding diseases, such as prion diseases, Alzheimer’s, and Parkinson’s, share a common molecular mechanism involving the misfolding and aggregation of specific proteins. There is an urgent need for point-of-care (POC) diagnostic technologies that can accurately detect these misfolded proteins, facilitating early diagnosis and intervention. Here, we introduce the microfluidic quaking-induced conversion (Micro-QuIC), a novel acoustofluidic platform for the rapid and sensitive detection of protein misfolding diseases. We demonstrate the utility of our technology using chronic wasting disease (CWD) as a model system, since samples from wild white-tailed deer are readily accessible, and CWD shares similarities with human protein misfolding diseases. Acoustofluidic mixing enables homogeneous mixing of reagents in a high-Reynolds-number regime, significantly accelerating the turnaround time for CWD diagnosis. Our Micro-QuIC assay amplifies prions significantly faster than the current gold standard, real-time quaking-induced conversion (RT-QuIC). Furthermore, we integrated Micro-QuIC with a gold nanoparticle-based, naked-eye detection method, which enables visual discrimination between CWD-positive and CWD-negative samples without the need for a bulky fluorescence detection module. This integration creates a rapid, POC testing platform capable of detecting misfolded proteins associated with a variety of protein misfolding diseases.

Abstract Despite holding great therapeutic potential, existing protocols for in vitro chondrogenesis and hyaline cartilage production from human induced pluripotent stem cells (hiPSC) are laborious and complex with unclear long-term consequences. Here, we developed a simple xeno- and feeder-free protocol for human hyaline cartilage production in vitro using hydrogel-cultured multi-tissue organoids (MTOs). We investigate gene regulatory networks during spontaneous hiPSC-MTO differentiation using RNA sequencing and bioinformatic analyses. We find the interplays between BMPs and neural FGF pathways are associated with the phenotype transition of MTOs. We recognize TGF-beta/BMP and Wnt signaling likely contribute to the long-term maintenance of MTO cartilage growth and further adoption of articular cartilage development. By comparing the MTO transcriptome with human lower limb chondrocytes, we observe that the expression of chondrocyte-specific genes in MTO shows a strong correlation with fetal lower limb chondrocytes. Collectively, our findings describe the self-organized emergence of hyaline cartilage in MTO, its associated molecular pathways, and its spontaneous adoption of articular cartilage development trajectory.