The addition or loss of synapses in response to changes in activity, disease, or aging is a major aspect of nervous system plasticity in the adult. The mechanisms that affect the turnover and maintenance of synapses in the adult are poorly understood and are difficult to investigate in the brain. Here, we exploited a unique anatomical arrangement in the neuromuscular system to determine whether subtypes of synapses can differ in anatomical plasticity and vulnerability. In three genetic mouse models of motoneuron disease of diverse origin and severity, we observed a gradual and selective loss of synaptic connections that begun long before the onset of clinical deficits and correlated with the timing of disease progression. A subgroup of fast-type (fast-fatiguable) neuromuscular synapses was highly vulnerable and was lost very early on. In contrast, slow-type synapses resisted up to the terminal phase of the disease. Muscle-specific differences were also evident. Similar selective losses were detected in aged mice. These selective vulnerability properties of synapses coincided with hitherto unrecognized major differences in stimulus-induced anatomical plasticity that could also be revealed in healthy mice. Using paralysis and/or growth-associated protein 43 overexpression to induce synaptic sprouting, we found that slow-type, disease-resistant synapses were particularly plastic. In contrast, fast-type synapses with the highest vulnerability failed to exhibit any stimulus-induced change. The results reveal pronounced subtype specificity in the anatomical plasticity and susceptibility to loss of neuromuscular synapses and suggest that degenerative motoneuron diseases involve a common early pathway of selective and progressive synaptic weakening also associated with aging.

Abstract Single cell sequencing is useful for resolving complex systems into their composite cell types and computationally mining them for unique features that are masked in pooled sequencing. However, while commercial instruments have made single cell analysis widespread for mammalian cells, analogous tools for microbes are limited. Here, we present EASi-seq ( E asily A ccessible S ingle microbe seq uencing). By adapting the single cell workflow of the commercial Mission Bio Tapestri instrument, this method allows for efficient sequencing of individual microbes’ genomes. EASi-seq allows thousands of microbes to be sequenced per run and, as we show, can generate detailed atlases of human and environmental microbiomes. The ability to capture large shotgun genome datasets from thousands of single microbes provides new opportunities in discovering and analyzing species subpopulations. To facilitate this, we develop a companion bioinformatic pipeline that clusters microbes by similarity, improving whole genome assembly, strain identification, taxonomic classification, and gene annotation. In addition, we demonstrate integration of metagenomic contigs with the EASi-seq datasets to reduce capture bias and increase coverage. Overall, EASi-seq enables high quality single cell genomic data for microbiome samples using an accessible workflow that can be run on a commercially available platform.

Abstract Enzymes are represented across a vast space of protein sequences and structural forms and have activities that far exceed the best chemical catalysts; however, engineering them to have novel or enhanced activity is limited by technologies for sensing product formation. Here, we describe a general and scalable approach for characterizing enzyme activity that uses the metabolism of the host cell as a biosensor by which to infer product formation. Since different products consume different molecules in their synthesis, they perturb host metabolism in unique ways that can be measured by mass spectrometry. This provides a general way by which to sense product formation, to discover unexpected products and map the effects of mutagenesis.

Abstract Patterned surfaces can enhance the sensitivity of laser desorption ionization mass spectrometry by segregating and concentrating analytes, but their fabrication can be challenging. Here, we describe a simple method to fabricate substrates patterned with micron-scale wells that yield more accurate and sensitive mass spectrometry measurements compared to flat surfaces. The wells can also concentrate and localize cells and beads for cell-based assays.