Abstract Regional intestinal immune surveillance remains obscure. In this study, we integrated single-cell RNA sequencing and spatial transcriptomics to create a regional atlas of fetal and adult intestines, consisting of 59 cell subsets, of which eight new subsets and ILCs transition states were identified. Results revealed that microenvironment determines in-situ cell differentiation and shapes the regional molecular characteristics, allowing different intestinal segments with diverse functions. We characterized the regional expression of mucins, immunoglobulins, and antimicrobial peptides (AMPs) and their shift during development and in inflammatory bowel disease. Notably, α-defensins expressed most abundantly in small intestinal LGR5 + stem cells, rather than in Paneth cells, and down-regulated as cell maturing. Common upstream transcription factors controlled the AMPs expression, illuminating the concurrent change of AMPs during epithelial differentiation, and the spatial co-expression patterns. We demonstrated the correspondence of cell focus of risk genes to diseases’ location susceptibility and identified distinct cell-cell crosstalk and spatial heterogeneity of immune cell homing in different gut segments. Overall, a cross-spatiotemporal approach to transcriptomes at single-cell resolution revealed that the regional milieu of the human intestine determined cellular and molecular cues of immune surveillance, dictating gut homeostasis and disease.

ABSTRACT Artificial intelligence (AI)-driven discovery of antimicrobial peptides (AMPs) is yet to fully utilise their three-dimensional (3D) structural characteristics, microbial specie-specific antimicrobial activities and mechanisms. Here, we constructed a QLAPD database comprising the sequence, structures and antimicrobial properties of 12,914 AMPs. QLAPD underlies a multimodal, multitask, multilabel, and conditionally controlled AMP discovery (M3-CAD) pipeline, which is proposed for the de novo design of multi-mechanism AMPs to combat multidrug-resistant organisms (MDROs). This pipeline integrates the generation, regression, and classification modules, using a innovative 3D voxel coloring method to capture the nuanced physicochemical context of amino acids, significantly enhancing structural characterizations. QL-AMP-1, discovered by M3-CAD, which possesses four antimicrobial mechanisms, exhibited low toxicity and significant activity against MDROs. The skin wound infection model demonstrates its considerable antimicrobial effects and negligible toxicity. Altogether, integrating 3D features, specie-specific antimicrobial activities and mechanisms enhanced AI-driven AMP discovery, making the M3-CAD pipeline a viable tool for de novo AMP design.

The efficacy of antibody-dependent vaccines relies on both virus replication and neutralisation, but their quantitative relationship is unknown. To bridge this gap, we investigated the growth of avian and human influenza viruses, and the virus neutralisation by antibodies in vitro. A one-dimensional deterministic model accurately predicted the growth of avian and human influenza in cell culture, and neutralisation of seasonal influenza viruses determined using focus reduction assay. According to this model, at a specific interval of antibody concentration, viruses can either survive or die due to bistability, where small viral inocula are eliminated but not large virus inocula; this is caused by saturated virus neutralization or antibody consumption. Our finding highlights the importance of inoculum size even when virus-antibody pair is well-matched and provides a possible mechanism for high influenza re-infections and low vaccine efficacy, thereby facilitating the formulation of strategies to enhance the efficacy of influenza vaccines and antiviral treatments.