Abstract Age-dependent differences in the clinical response to SARS-CoV-2 infection is well-documented 1–3 however the underlying molecular mechanisms involved are poorly understood. We infected fully differentiated human nasal epithelium cultures derived from healthy children (1-12 years old), young adults (26-34 years old) and older adults (56-62 years old) with SARS-COV-2 to identify age-related cell-intrinsic differences that may influence viral entry, replication and host defence response. We integrated imaging, transcriptomics, proteomics and biochemical assays revealing age-related changes in transcriptional regulation that impact viral replication, effectiveness of host responses and therapeutic drug targets. Viral load was lowest in infected older adult cultures despite the highest expression of SARS-CoV-2 entry and detection factors. We showed this was likely due to lower expression of hijacked host machinery essential for viral replication. Unlike the nasal epithelium of young adults and children, global host response and induction of the interferon signalling was profoundly impaired in older adults, which preferentially expressed proinflammatory cytokines mirroring the “cytokine storm” seen in severe COVID-19 4,5 . In silico screening of our virus-host-drug network identified drug classes with higher efficacy in older adults. Collectively, our data suggests that cellular alterations that occur during ageing impact the ability for the host nasal epithelium to respond to SARS-CoV-2 infection which could guide future therapeutic strategies.

Abstract Viral co-infections occur in COVID-19 patients, potentially impacting disease progression and severity. However, there is currently no dedicated method to identify viral co-infections in patient RNA-seq data. We developed PACIFIC, a deep-learning algorithm that accurately detects SARS-CoV-2 and other common RNA respiratory viruses from RNA-seq data. Using in silico data, PACIFIC recovers the presence and relative concentrations of viruses with >99% precision and recall. PACIFIC accurately detects SARS-CoV-2 and other viral infections in 63 independent in vitro cell culture and patient datasets. PACIFIC is an end-to-end tool that enables the systematic monitoring of viral infections in the current global pandemic.

Abstract Background Variation in mitochondrial DNA (mtDNA) identified by genotyping microarrays or by sequencing only hypervariable regions of the genome may be insufficient to reliably assign mitochondrial genomes to phylogenetic lineages or haplogroups. This lack of resolution can limit functional and clinical interpretation of a substantial body of existing mtDNA data. To address this limitation, we developed and evaluated a method for imputing missing mtDNA single nucleotide variants (mtSNVs) that uses a large reference alignment of complete mtDNA sequences. The method and reference alignment are combined into a pipeline, which we call MitoImpute. Results We aligned the sequences of 36,960 complete human mitochondrial genomes downloaded from GenBank, filtered and controlled for quality. These sequences were reformatted for use in imputation software, IMPUTE2. We assessed the imputation accuracy of MitoImpute by measuring haplogroup and genotype concordance in data from the 1,000 Genomes Project and the Alzheimer’s Disease Neuroimaging Initiative (ADNI). The mean improvement of haplogroup assignment in the 1,000 Genomes samples was 42.7% (Matthew’s correlation coefficient = 0.64). In the ADNI cohort, we imputed missing single nucleotide variants. Conclusions These results show that our reference alignment and panel can be used to impute missing mtSNVs in exiting data obtained from using microarrays, thereby broadening the scope of functional and clinical investigation of mtDNA. This improvement may be particularly useful in studies where participants have been recruited over time and mtDNA data obtained using different methods, enabling better integration of early data collected using less accurate methods with more recent sequence data.

Abstract Heteromorphic sex chromosomes (XY or ZW) present problems of gene dosage imbalance between the sexes, and with the autosomes. Mammalian X chromosome inactivation was long thought to imply a critical need for dosage compensation in vertebrates. However, the universal importance of sex chromosome dosage compensation was questioned by mRNA abundance measurements that demonstrated sex chromosome transcripts are neither balanced between the sexes or with autosomes in monotreme mammals or birds. Here, we demonstrate unbalanced mRNA levels of X genes in platypus males and females that correlate with differential loading of histone modifications, and confirm that transcripts of Z genes are unbalanced between males and females also in chicken. However, we found that in both species, median male to female protein abundance ratios were 1:1, implying an additional level of post-transcriptional control. We conclude that parity of sex chromosome output is achieved in birds, as well as all mammal groups, by a combination of transcriptional and post-transcriptional control, consistent with an essential role for sex chromosome dosage compensation in vertebrates.

Heteromorphic sex chromosomes (XY or ZW) present problems of gene dosage imbalance between sexes and with autosomes. A need for dosage compensation has long been thought to be critical in vertebrates. However, this was questioned by findings of unequal mRNA abundance measurements in monotreme mammals and birds. Here, we demonstrate unbalanced mRNA levels of X genes in platypus males and females and a correlation with differential loading of histone modifications. We also observed unbalanced transcripts of Z genes in chicken. Surprisingly, however, we found that protein abundance ratios were 1:1 between the sexes in both species, indicating a post-transcriptional layer of dosage compensation. We conclude that sex chromosome output is maintained in chicken and platypus (and perhaps many other non therian vertebrates) via a combination of transcriptional and post-transcriptional control, consistent with a critical importance of sex chromosome dosage compensation.

Abstract Microchromosomes, once considered unimportant shreds of the chicken genome, are gene rich elements with a high GC content and few transposable elements. Their origin has been debated for decades. We used cytological and whole genome sequence comparisons, and chromosome conformation capture, to trace their origin and fate in genomes of reptiles, birds and mammals. We find that microchromosomes as well as macrochromosomes are highly conserved across birds, and share synteny with single small chromosomes of the chordate amphioxus, attesting to their origin as elements of an ancient animal genome. Turtles and squamates (snakes and lizards) share different subsets of ancestral microchromosomes, having independently lost microchromosomes by fusion with other microchromosomes or macrochromosomes. Patterns of fusions were quite different in different lineages. Cytological observations show that microchromosomes in all lineages are spatially separated into a central compartment at interphase and during mitosis and meiosis. This reflects higher interaction between microchromosomes than with macrochromosomes, as observed by chromosome conformation capture, and suggests some functional coherence. In highly rearranged genomes fused microchromosomes retain most ancestral characteristics, but these may erode over evolutionary time; surprisingly de novo microchromosomes have rapidly adopted high interaction. Some chromosomes of early branching monotreme mammals align to several bird microchromosomes, suggesting multiple microchromosome fusions in a mammalian ancestor. Subsequently multiple rearrangements fueled the extraordinary karyotypic diversity of therian mammals. Thus microchromosomes, far from being aberrant genetic elements, represent fundamental building blocks of amniote chromosomes, and it is mammals, rather than reptiles, that are atypical. Significance Statement Genomes of birds and reptiles, but not mammals, consist of a few large chromosomes and many tiny microchromosomes. Once considered unimportant shreds of the genome, microchromosomes are gene rich and highly conserved among bird and reptiles, and share homology with one or more of the tiny chromosomes of an invertebrate that diverged from the vertebrate lineage 684 million years ago. Microchromosomes interact strongly and crowd together at the centre of cells, suggesting functional coherence. Many microchromosomes have been lost independently in turtles, snakes and lizards as they have fused with each other, or with larger chromosomes. In mammals they have completely disappeared, yet some chromosomes of the basal platypus line up with several microchromosomes, suggesting that they are the building blocks of the atypically variable chromosomes of mammals.

Summary MicroRNA (miRNA) play a significant role in the pathogenesis of complex neurodegenerative diseases, including age-related macular degeneration, acting as post-transcriptional gene suppressors through their association with argonaute (AGO) protein family members. However, to understand their role in disease, investigation into the regulatory nature of miRNA with their targets is required. To identify the active-miRnome-targetome interactions in the degenerating retina, AGO2 HITS-CLIP was performed using a mouse model of retinal degeneration. Analysis revealed a similar miRnome between healthy and damaged retinas, however, a shift in the active targetome was observed. This shift was also demonstrated by a change in the seed binding regions of miR-124-3p, the most abundant retinal miRNA loaded in AGO2. Following damage, AGO2 was localised to the inner retinal layers indicating a locational miRNA response to retinal damage. This study provides important insight into the alteration of miRNA regulatory activity that occurs as a response to retinal degeneration.

Indigenous Australians harbour rich and unique genomic diversity. However, Aboriginal and Torres Strait Islander ancestries are historically under-represented in genomics research and almost completely missing from reference databases. Addressing this representation gap is critical, both to advance our understanding of global human genomic diversity and as a prerequisite for ensuring equitable outcomes in genomic medicine. Here, we apply population-scale whole genome long-read sequencing to profile genomic structural variation across four remote Indigenous communities. We uncover an abundance of large indels (20-49bp; n=136,797) and structural variants (SVs; ≥50bp; n=159,912), the majority of which are composed of tandem repeat or interspersed mobile element sequences (90%) and have not been previously annotated (73%). A large fraction of SVs appear to be exclusive to Indigenous Australians (>30%) and the majority of these are found in only a single community, underscoring the need for broad and deep sampling to achieve a comprehensive catalogue of genomic structural variation across the Australian continent. Finally, we explore short-tandem repeats (STRs) throughout the genome to characterise allelic diversity at 50 known disease loci, uncover hundreds of novel repeat expansion sites within protein-coding genes, and identify unique patterns of diversity and constraint among STR sequences. Our study sheds new light on the dimensions, diversity and evolutionary trajectories of genomic structural variation within and beyond Australia.

Abstract Distance measures are widely used for examining genetic structure in datasets that comprise many individuals scored for a very large number of attributes. Genotype datasets composed of single nucleotide polymorphisms (SNPs) typically contain bi-allelic scores for tens of thousands if not hundreds of thousands of loci. We examine the application of distance measures to SNP data (both genotypes and sequence tag presence-absence) and use real datasets and simulated data to illustrate pitfalls in the application of genetic distances and their visualization. Missing values arise from ascertainment issues in the SNP discovery process (null alleles in the case of SNP genotyping; true missing data in the case of sequence tag presence-absence data). Missing values can cause displacement of affected individuals from their natural groupings and artificial inflation of confidence envelopes, leading to potential misinterpretation. Failure of a distance measure to conform to metric and Euclidean properties is important but only likely to create unacceptable outcomes in extreme cases. Lack of randomness in the selection of individuals (e.g. inclusion of sibs) and lack of independence of both individuals and loci (e.g. polymorphic haploblocks), can lead to substantial and otherwise inexplicable distortions of the visual representations and again, potential misinterpretation. Euclidean Distance is the metric of choice in many distance studies. However, other measures may be preferable because of underlying models of divergence, population demographic history, linkage disequilibrium, because it is desirable to down-weight joint absences, or because of other characteristics specific to the data or analyses. Distance measures for SNP genotype data that depend on the arbitrary choice of reference and alternate alleles (e.g. Bray-Curtis distance) should be avoided. Careful consideration should be given to which state is scored zero when applying binary distance measures to fragment presence-absence data (e.g. Jaccard distance). Filtering on missing values then imputing those that remain avoids distortion in visual representations. Presence of closely related individuals or polymorphic haploblocks in the genomes of target species with limited genomic information occasionally emerge as challenges.

Abstract The pathogenesis of many retinal degenerations, such as age-related macular degeneration (AMD), is punctuated by an ill-defined network of sterile inflammatory responses. The delineation of innate and adaptive immune milieu amongst the broad leukocyte infiltrate, and the gene networks which construct these responses, are poorly described in the eye. Using photo-oxidative damage in a rodent model of subretinal inflammation, we employed a novel RNA-sequencing framework to map the global gene network signature of retinal leukocytes. This revealed a previously uncharted interplay of adaptive immunity during subretinal inflammation, including prolonged enrichment of myeloid and lymphocyte migration, antigen presentation, and the alternative arm of the complement cascade involving Factor B . We demonstrate Factor B -deficient mice are protected against macrophage infiltration and subretinal inflammation. Suppressing the drivers of retinal leukocyte proliferation, or their capacity to elicit complement responses, may help preserve retinal structure and function during sterile inflammation in diseases such as AMD.