Abstract More than a decade of gut microbiome studies have a common goal for human health. As most of the disease studies sample the elderly or the middle-aged, a reference cohort for young individuals has been lacking. It is also not clear what other omics data need to be measured to better understand the gut microbiome. Here we present high-depth metagenomic shotgun sequencing data for the fecal microbiome together with other omics data in a cohort of 2,183 adults, and observe a number of vitamins, hormones, amino acids and trace elements to correlate with the gut microbiome and cluster with T cell receptors. Associations with physical fitness, sleeping habits and dairy consumption are identified in this large multi-omic cohort. Many of the associations are validated in an additional cohort of 1,404 individuals. Our comprehensive data are poised to advise future study designs to better understand and manage our gut microbiome both in population and in mechanistic investigations.

Abstract Olfactory dysfunction caused by SARS-CoV-2 infection represents as one of the most predictive and common symptoms in COVID-19 patients. However, the causal link between SARS-CoV-2 infection and olfactory disorders remains lacking. Herein we demonstrate intranasal inoculation of SARS-CoV-2 induces robust viral replication in the olfactory epithelium (OE), resulting in transient olfactory dysfunction in humanized ACE2 mice. The sustentacular cells and Bowman’s gland cells in OE were identified as the major targets of SARS-CoV-2 before the invasion into olfactory sensory neurons. Remarkably, SARS-CoV-2 infection triggers cell death and immune cell infiltration, and impairs the uniformity of OE structure. Combined transcriptomic and proteomic analyses reveal the induction of antiviral and inflammatory responses, as well as the downregulation of olfactory receptors in OE from the infected animals. Overall, our mouse model recapitulates the olfactory dysfunction in COVID-19 patients, and provides critical clues to understand the physiological basis for extrapulmonary manifestations of COVID-19.

Abstract Abnormal subchondral bone remodeling featured by over-activated osteoclastogenesis leads to articular cartilage degeneration and osteoarthritis (OA) progression, but the mechanism is still unclear. In this study, we used lymphocyte cytosolic protein 1 ( Lcp1 ) knock-out mice to suppress subchondral osteoclast formation in mice OA model with anterior cruciate ligament transection (ACLT) and Lcp1 -/- mice showed decreased bone remodeling and sensory innervation in subchondral bone accompanied by retarded cartilage degeneration. For mechanisms, in wildtype mice with ACLT the activated osteoclasts in subchondral bone induced type-H vessels and elevated oxygen concentration which ubiquitylated hypoxia-inducible factor 1α (HIF-1α), vital for maintaining chondrocyte homeostasis in articular chondrocytes and led to cartilage degeneration. Deletion of Lcp1 impeded osteoclast-mediated angiogenesis, which maintained the low levels of oxygen partial pressure (pO 2 ) in subchondral bone as well as the whole joint and delayed the OA progression. Stabilization of HIF-1α delayed cartilage degeneration and knockdown of Hif1a abolished the protective effects of Lcp1 knockout. Notably, we identified a novel subgroup of hypertrophic chondrocytes highly associated with OA by single cell sequencing analysis of human articular chondrocytes. Lastly, we showed that Oroxylin A, an Lcp1- encoded protein L-plastin (LPL) inhibitor, could alleviate OA progression. In conclusion, maintaining hypoxic environment in subchondral bone is an attractive strategy for OA treatment. Teaser Inhibiting subchondral osteoclastogenesis alleviates OA progression via maintaining joint hypoxia environment.

Morphogenesis and cell state transitions must be coordinated in time and space to produce a functional tissue. An excellent paradigm to understand the coupling of these processes is mammalian hair follicle development, initiated by the formation of an epithelial invagination - termed placode – that coincides with the emergence of a designated hair follicle stem cell population. The mechanisms directing the deformation of the epithelium, cell state transitions, and physical compartmentalization of the placode are unknown. Here, we identify a key role for coordinated mechanical forces stemming from contractile, proliferative, and proteolytic activities across the epithelial and mesenchymal compartments in generating the placode structure. A ring of fibroblast cells gradually wraps around the placode cells to generate centripetal contractile forces, which in collaboration with polarized epithelial myosin activity promote elongation and local tissue thickening. These mechanical stresses further enhance and compartmentalize Sox9 expression to promote stem cell positioning. Subsequently, proteolytic remodeling locally softens the basement membrane to facilitate release of pressure on the placode, enabling localized cell divisions, tissue fluidification, and epithelial invagination into the underlying mesenchyme. Together, our experiments and modeling identify dynamic cell shape transformations and tissue-scale mechanical co-operation as key factors for orchestrating organ formation.

Abstract Fusion with host cell membrane is the main mechanism of infection of SARS-CoV-2. Here, we propose a new strategy to double block SARS-CoV-2 membrane fusion by using Harringtonine (HT), a small-molecule antagonist. By using cell membrane chromatography (CMC), we found that HT specifically targeted the SARS-CoV-2 S protein and host cell TMPRSS2, and then confirmed that HT can inhibit pseudotyped virus membrane fusion. Furthermore, HT successfully blocked SARS-CoV-2 infection, especially in the delta and Omicron mutant. Since HT is a small-molecule antagonist, it is minimally affected by the continuous variation of SARS-CoV-2. Our findings show that HT is a potential small-molecule antagonist with a new mechanism of action against SARS-CoV-2 infection, and thus HT mainly targets the S protein, and thus, greatly reduces the damage of the S protein’s autotoxicity to the organ system, has promising advantages in the clinical treatment of COVID-19.

Inflammatory Bowel Diseases (IBD) are devastating conditions of the gastrointestinal tract with limited treatments, and dietary intervention may be effective, and affordable, for managing symptoms. Glucosinolate compounds are highly concentrated in broccoli sprouts, especially glucoraphanin, and can be metabolized by certain mammalian gut bacteria into anti inflammatory isothiocyanates, such as sulforaphane. Gut microbiota exhibit biogeographic patterns, but it is unknown if colitis alters these or whether the location of glucoraphanin metabolizing bacteria affects anti-inflammatory benefits. We fed specific pathogen free C57BL/6 mice either a control diet or a 10% steamed broccoli sprout diet, and gave a three-cycle regimen of 2.5% dextran sodium sulfate (DSS) in drinking water over a 34-day experiment to simulate chronic, relapsing ulcerative colitis. We monitored body weight, fecal characteristics, lipocalin, serum cytokines, and bacterial communities from the luminal and mucosa-associated populations in the jejunum, cecum, and colon. Mice fed the broccoli sprout diet with DSS treatment performed better than mice fed the control diet with DSS, including significantly more weight gain, lower Disease Activity Indexes, lower plasma lipocalin and proinflammatory cytokines, and higher bacterial richness in all gut locations. Bacterial communities were assorted by gut location, but were more homogenous across locations in the control diet + DSS mice. Importantly, our results showed that broccoli sprout feeding abrogated the effects of DSS on gut microbiota, as bacterial richness and biogeography were similar between mice receiving broccoli sprouts with and without DSS. Collectively, these results support the protective effect of steamed broccoli sprouts against dysbiosis and colitis induced by DSS.Evaluating bacterial communities across different locations in the gut provides a greater insight than fecal samples alone, and provides an additional metric by which to evaluate beneficial host-microbe interactions. Here, we show that 10% steamed broccoli sprouts in the diet protects mice from the negative effects of dextran sodium sulfate induced colitis, that colitis erases biogeographical patterns of bacterial communities in the gut, and that the cecum is not likely to be a significant contributor to colonic bacteria of interest in the DSS mouse model of ulcerative colitis. Mice fed the broccoli sprout diet during colitis performed better than mice fed the control diet while receiving DSS. The identification of accessible dietary components and concentrations that help maintain and correct the gut microbiome may provide universal and equitable approaches to IBD prevention and recovery, and broccoli sprouts represent a promising strategy.

Summary Respiratory diseases impose an immense health burden worldwide. Epidemiological studies have revealed extensive disparities in the incidence and severity of respiratory tract infections (RTIs) between males and females . It is recently hypothesized that there might also be a nasal microbiome axis contributing to the observed sex disparities, but without evidence. In this work, we study the nasal microbiome of healthy young adults in, as of today, the largest cohort based on deep shot-gun metagenomic sequencing. We mainly focus on the bacteriome, but also integrate the mycobiome to get a more holistic perspective. De novo assembly is performed to catalog the nasal bacterial colonizers/residents, which also identify and therefore account for uncharacterized components of the community. The bacteriome is then profiled based on the non-redundant metagenome-assembled genomes (MAGs) catalog constructed therefrom. Unsupervised clustering reveals clearly separable structural patterns in the nasal microbiome between the two sexes. Following this link, we systematically evaluate sex differences for the first time and reveal extensive sex-specific features in the nasal microbiome composition. More importantly, through network analyses, we capture markedly higher ecological stability and antagonistic potentials in the nasal microbiome of females than that of males. The analysis of the keystone bacteria of the communities reveal that the sex-dependent evolutionary characteristics might have contributed to this difference . Highlights The non-redundant nasal bacterial MAGs catalog constructed from ultra-deeply sequenced metagenomic data provides a valuable resource. Integrating nasal bacteriome and mycobiome data provides a more holistic perspective for the understudied human nasal microbiome. Unsupervised clustering helps uncover extensive sex differences in the nasal microbiome compositions. Network analyses capture markedly higher ecological stability and antagonistic potentials in the nasal microbiome of females than that of males. Sex-dependent genetic evolutionary forces play a role in the shaping of keystones in the nasal microbial community.

Abstract As the SARS-CoV-2 pandemic is still ongoing and dramatically influences our life, the need for recombinant proteins for diagnostics, vaccine development, and research is very high. The spike (S) protein, and particularly its receptor binding domain (RBD), mediates the interaction with the ACE2 receptor on host cells and may be modulated by its structural features. Therefore, well characterized recombinant RBDs are essential. We have performed an in-depth structural and functional characterization of RBDs expressed in Chinese hamster ovary (CHO) and human embryonic kidney (HEK293) cells. To structurally characterize the native RBDs (comprising N - and O -glycans and additional posttranslational modifications) a multilevel mass spectrometric approach was employed. Released glycan and glycopeptide analysis were integrated with intact mass analysis, glycan-enzymatic dissection and top-down sequencing for comprehensive annotation of RBD proteoforms. The data showed distinct glycosylation for CHO- and HEK293-RBD with the latter exhibiting antenna fucosylation, higher level of sialylation and a combination of core 1 and core 2 type O -glycans. Additionally, from both putative O -glycosylation sites, we could confirm that O -glycosylation was exclusively present at T323, which was previously unknown. For both RBDs, the binding to SARS-CoV-2 antibodies of positive patients and affinity to ACE2 receptor was addressed showing comparable results. This work not only offers insights into RBD structural and functional features but also provides a workflow for characterization of new RBDs and batch-to-batch comparison.

How genes affect tissue scale organization remains a longstanding biological puzzle. As experimental efforts are underway to solve this puzzle via quantification of gene expression, chromatin organization, cellular structure, and tissue structure, computational modeling efforts remain far behind. To help accelerate the computational modeling efforts, we review two recent publications, the first on a cellular-based model for tissues and the second on a model of a cell nucleus that includes a lamina shell and chromatin. We then address how the two models can be combined to ultimately test multiscale hypotheses linking the chromatin scale and the tissue scale. To be concrete, we turn to an in vitro system for the brain known as a brain organoid. We provide a multiscale hypothesis to distinguish structural differences between brain organoids built from induced-pluripotent human stem cells and from induced-pluripotent gorilla and chimpanzee stem cells. Recent experiments discover that a cell fate transition from neuroepithelial cells to radial glial cells includes a new intermediate state that is delayed in human-derived brain organoids as compared to their genetically-close relatives, which significantly narrows and lengthens the cells on the apical side [1]. Additional experiments revealed that the protein ZEB2 plays a major role in the emergence of this new intermediate state with ZEB2 mRNA levels peaking at the onset of the emergence [1]. We postulate that the enhancement of ZEB2 expression driving this intermediate state is potentially due to chromatin reorganization. More precisely, there exists critical strain triggering the reorganization that is higher for human-derived stem cells, thereby resulting in a delay. Such a hypothesis can readily be tested experimentally within individual cells and within brain organoids as well as computationally to help work towards solving the gene-to-tissue organization puzzle.

Abstract Mounting evidences have revealed that benzidine, a known human carcinogen, is a pivotal risk factor for bladder cancer (BC). Dysregulated cell proliferation serves as a pivotal pathophysiological step in BC development. The potential mechanisms of MAPK pathways, particularly extracellular regulated protein kinases 5 (ERK5), regarding the modulation of benzidine-elicited cell proliferation are still elusive. Herein, human BC cells UMUC-3 were exposed to indicated levels of benzidine for 5 days. Cell growth, cell cycle progression, cell cycle-related, MAPK genetic expression, and related protein contents were investigated by the 3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide (MTT) test, flow cytometry, quantitative reverse transcription-polymerase chain reaction (qRT-PCR), and western blotting (WB), respectively. XMD8-92 (a specific suppressor of ERK5) and small interfering RNA (siRNA) were utilized to identify the roles of ERK5. Our results illustrated that benzidine elevated the proliferative ability of UMUC3 cells and accelerated the cell cycle transition from G1 to S phase, and it increased the expressions of cyclin D1 and proliferating cell nuclear antigen (PCNA) and reduced the expression of p21. Meanwhile, benzidine treatment resulted in the activation of ERK5 pathway and activator protein 1 (AP-1) proteins. In addition, benzidine-elicited cell proliferation and ERK5 stimulation were fully inhibited by XMD8-92 and siRNAs specific to ERK5. Taken together, these results demonstrated that ERK5-mediated cell proliferation was tightly related to benzidine-assoicated BC development, which established the foundation for targeting the ERK5 pathway in BC treatment.