Abstract Fast and reliable detection of patients with severe and heterogeneous illnesses is a major goal of precision medicine 1,2 . Patients with leukaemia can be identified using machine learning on the basis of their blood transcriptomes 3 . However, there is an increasing divide between what is technically possible and what is allowed, because of privacy legislation 4,5 . Here, to facilitate the integration of any medical data from any data owner worldwide without violating privacy laws, we introduce Swarm Learning—a decentralized machine-learning approach that unites edge computing, blockchain-based peer-to-peer networking and coordination while maintaining confidentiality without the need for a central coordinator, thereby going beyond federated learning. To illustrate the feasibility of using Swarm Learning to develop disease classifiers using distributed data, we chose four use cases of heterogeneous diseases (COVID-19, tuberculosis, leukaemia and lung pathologies). With more than 16,400 blood transcriptomes derived from 127 clinical studies with non-uniform distributions of cases and controls and substantial study biases, as well as more than 95,000 chest X-ray images, we show that Swarm Learning classifiers outperform those developed at individual sites. In addition, Swarm Learning completely fulfils local confidentiality regulations by design. We believe that this approach will notably accelerate the introduction of precision medicine.

ABSTRACT Leaves are asymmetric, with differential functionalization of abaxial and adaxial tissues. The bundle sheath (BS) surrounding the vasculature of the C3 crop barley is dorsoventrally differentiated into three domains: adaxial structural, lateral S-type, and abaxial L-type. S-type cells seem to transfer assimilates towards the phloem. Here we used single-cell RNA sequencing to investigate BS differentiation in C4 maize. Abaxial BS ( ab BS) cells of rank-2 intermediate veins specifically expressed three SWEET sucrose uniporters ( SWEET13a, b , and c ) and UmamiT amino acid efflux transporters. SWEET13a, b, c were also identified in the phloem parenchyma (PP). Thus maize acquired a unique mechanism for phloem loading in which ab BS cells provide the main pathway for apoplasmic sucrose transfer towards the phloem. This pathway predominates in veins responsible for phloem loading (rank-2 intermediate), while rank-1 intermediate and major veins export sucrose from the phloem parenchyma (PP) adjacent to the sieve element companion cell (SE/CC) complex, as in Arabidopsis. We surmise that ab BS identity is subject to dorsoventral patterning and has components of PP identity. These observations provide first insights into the unique transport-specific properties of ab BS cells and support for a modification to the canonical phloem loading pathway of maize, which may be generalizable to other C4 monocots.

Background: Mutations in splicing factor 3B subunit 1 (SF3B1) frequently occur in patients with chronic lymphocytic leukemia (CLL) and myelodysplastic syndromes (MDS). These mutations have a different effect on the disease prognosis with beneficial effect in MDS and worse prognosis in CLL patients. A full-length transcriptome approach can expand our knowledge on SF3B1 mutation effects on RNA splicing and its contribution to patient survival and treatment options. Results: We applied long-read transcriptome sequencing to 44 MDS and CLL patients with and without SF3B1 mutations and found > 60% of novel isoforms. Splicing alterations were largely shared between cancer types and specifically affected the usage of introns and 3' splice sites. Our data highlighted a constrained window at canonical 3' splice sites in which dynamic splice site switches occurred in SF3B1-mutated patients. Using transcriptome-wide RNA binding maps and molecular dynamics simulations, we showed multimodal SF3B1 binding at 3' splice sites and predicted reduced RNA binding at the second binding pocket of SF3B1K700E. Conclusions: Our work presents the hitherto most complete long-read transcriptome sequencing study in CLL and MDS and provides a resource to study aberrant splicing in cancer. Moreover, we showed that different disease prognosis results most likely from the different cell types expanded during cancerogenesis rather than different mechanism of action of the mutated SF3B1. These results have important implications for understanding the role of SF3B1 mutations in hematological malignancies and other related diseases.

Summary The microbiome greatly affects health and wellbeing. Evolutionarily, it is doubtful that a host would rely on chance alone to pass on microbial colonization to its offspring. However, the literature currently offers inconclusive evidence regarding two alternative hypotheses: active microbial shaping by host genetic factors or transmission of a microbial maternal legacy. To untangle the influence of host genetics and maternal inheritance, we collected 2-cell stage embryos from two representative wildtypes, C57BL6/J and BALB/c, and transferred a mixture of both genotype embryos into hybrid recipient mice to be inoculated by an identical microbiome at birth. Observing the offspring for six generations unequivocally emphasizes the impact of host genetic factors over maternal legacy in constant environments, akin to murine laboratory experiments. Interestingly, maternal legacy solely controlled the microbiome in the first offspring generation. However, current evidence supporting maternal legacy has not extended beyond this initial generation, resolving the aforementioned debate. graphical abstract

Abstract Accurate and comprehensive immunogenetic reference panels are key to the successful implementation of population-scale immunogenomics. The 5Mbp Major Histocompatibility Complex (MHC) is the most polymorphic region of the human genome and associated with multiple immune-mediated diseases, transplant matching and therapy responses. Analysis of MHC genetic variation is severely complicated by complex patterns of sequence variation, linkage disequilibrium and a lack of fully resolved MHC reference haplotypes, increasing the risk of spurious findings on analyzing this medically important region. Integrating Illumina and ultra-long Nanopore sequencing as well as bespoke bioinformatics, we completed five of the alternative MHC reference haplotypes of the current (B38) build of the human reference genome and added one other. The six assembled MHC haplotypes encompass the DR1 and DR4 haplotype structures in addition to the previously completed DR2 and DR3, as well as six distinct classes of the structurally variable C4 region. Analysis of the assembled haplotypes showed that MHC class II sequence structures, including repeat element positions, are generally conserved within the DR haplotype supergroups, and that sequence diversity peaks in three regions around HLA-A, HLA-B+C, and the HLA class II genes. Demonstrating the potential for improved short-read analysis, the number of proper read pairs recruited to the MHC was found to be increased by 0.32% – 0.69% in a 1000 Genomes Project read re-mapping experiment with seven diverse samples. Furthermore, the assembled haplotypes can serve as references for the community and provide the basis of a structurally accurate genotyping graph of the complete MHC region.

Abstract Unicellular green algae of the genus Coccomyxa are recognized for their worldwide distribution and ecological versatility. Most species described to date live in close association with various host species, such as in lichen associations. However, little is known about the molecular mechanisms that drive such symbiotic lifestyles. We generated a high-quality genome assembly for the lichen photobiont Coccomyxa viridis SAG 216-4 (formerly C. mucigena ). Using long-read PacBio HiFi and Oxford Nanopore Technologies in combination with chromatin conformation capture (Hi-C) sequencing, we assembled the genome into 21 scaffolds with a total length of 50.9 Mb, an N50 of 2.7 Mb and a BUSCO score of 98.6%. While nineteen scaffolds represent full-length nuclear chromosomes, two additional scaffolds represent the mitochondrial and plastid genomes. Transcriptome-guided gene annotation resulted in the identification of 13,557 protein-coding genes, of which 68% have annotated PFAM domains and 962 are predicted to be secreted.

lnteractions between neurons and cancer cells are found in many malignancies, but their relevance for metastatic organ colonization remain largely unknown. It is also unclear whether any direct synaptic communication between neurons and cancer cells of non-neural tumor types exists, and if so, whether this can support metastasis and thus cancer progression. Here we show that excitatory synapses are formed between neurons and brain-metastatic melanoma and breast cancer cells. This starts at an early microscopic stage after extravasation into the brain parenchyma, during residence of cancer cells in the perivascular niche, a critical step for their survival. These neuron-cancer synapses showed a bona fide synaptic ultrastructure, and generated excitatory postsynaptic currents mediated by glutamate receptors of the AMPA subtype in cancer cells. In accordance, AMPA receptor signatures were consistently detected in preclinical and patient samples of melanoma and breast cancer brain metastases. Genetic perturbation and pharmacological inhibition of AMPA receptors with the approved antiepileptic drug perampanel in models of breast and melanoma cancer reduced the number of brain metastases and overall brain metastatic burden. These findings demonstrate for the first time that neurons can form biologically relevant direct synapses with non-neural cancer cells. In brain metastasis, a particularly challenging complication of many common malignancies, this non-canonical stimulatory synaptic interaction offers novel therapeutic opportunities.

Mitochondria play central roles in metabolism and metabolic disorders such as type 2 diabetes. MIC26, a MICOS complex subunit, was linked to diabetes and modulation of lipid metabolism. Yet, the functional role of MIC26 in regulating metabolism under hyperglycemia is not understood. We employed a multi-omics approach combined with functional assays using WT and MIC26 KO cells cultured in normoglycemia or hyperglycemia, mimicking altered nutrient availability. We show that MIC26 has an inhibitory role in glycolysis and cholesterol/lipid metabolism under normoglycemic conditions. Under hyperglycemia, this inhibitory role is reversed demonstrating that MIC26 is critical for metabolic adaptations. This is partially mediated by alterations of mitochondrial metabolite transporters. Furthermore, MIC26 deletion led to a major metabolic rewiring of glutamine utilization as well as oxidative phosphorylation. We propose that MIC26 acts as a metabolic rheostat, that modulates mitochondrial metabolite exchange via regulating mitochondrial cristae, allowing cells to cope with nutrient overload.

Abstract Beauvericin (BEA), a mycotoxin of the enniatin family produced by various toxigenic fungi, has been attributed multiple biological activities such as anti-cancer, anti-inflammatory, and anti-microbial functions. However, effects of BEA on dendritic cells remain unknown so far. Here, we identified effects of BEA on murine granulocyte–macrophage colony-stimulating factor (GM-CSF)-cultured bone marrow derived dendritic cells (BMDCs) and the underlying molecular mechanisms. BEA potently activates BMDCs as signified by elevated IL-12 and CD86 expression. Multiplex immunoassays performed on myeloid differentiation primary response 88 (MyD88) and toll/interleukin-1 receptor (TIR) domain containing adaptor inducing interferon beta (TRIF) single or double deficient BMDCs indicate that BEA induces inflammatory cytokine and chemokine production in a MyD88/TRIF dependent manner. Furthermore, we found that BEA was not able to induce IL-12 or IFNβ production in Toll-like receptor 4 ( Tlr4 )-deficient BMDCs, whereas induction of these cytokines was not compromised in Tlr3/7/9 deficient BMDCs. This suggests that TLR4 might be the functional target of BEA on BMDCs. Consistently, in luciferase reporter assays BEA stimulation significantly promotes NF-κB activation in mTLR4/CD14/MD2 overexpressing but not control HEK-293 cells. RNA-sequencing analyses further confirmed that BEA induces transcriptional changes associated with the TLR4 signaling pathway. Together, these results identify TLR4 as a cellular BEA sensor and define BEA as a potent activator of BMDCs, implying that this compound can be exploited as a promising candidate structure for vaccine adjuvants or cancer immunotherapies.

Abstract Abdominal aortic aneurysms (AAA) are a common vascular disorder with a high mortality due to the prevalence of aortic ruptures. The underlying pathomechanisms are complex and involve immune cell infiltration and degradation of the vascular extracellular matrix (ECM). Hyaluronan (HA), synthesized at the plasma membrane by three HA synthase isoenzymes (HAS1-3), is not only a major constituent of the ECM but also known to directly affect the phenotype of vascular smooth muscle cells as well as immunological responses. Specifically, the HAS3 isoenzyme has been reported to play a major role in various inflammatory conditions. Therefore, the aim of the present study was to elucidate the role of HAS3-derived HA in the pathogenesis of abdominal aortic aneurysm. To this end, we used a murine model of Angiotensin II (AngII)-induced abdominal aortic aneurysms and dissections (AAAs/AADs) and could demonstrate that genetic depletion of Has3 improves survival in Apoe/Has3 double deficient ( Apoe/Has3 -DKO) mice via the reduced occurrence of aortic ruptures. Mechanistically, fewer elastica breaks were observed in Apoe/Has3 -DKO mice compared to Apoe -KO littermates. This was associated with a decreased infiltration of myeloid immune cells into the vessel wall of Has3 -deficient mice while in parallel elevated numbers of circulating leukocytes were detected. RNA seq analysis from aortic tissue pointed towards a disturbed endothelial-myeloid cell communication as a cause for the diminished recruitment of immune cells to the aortic wall. While endothelial cells were unaffected, upregulation of adhesion receptors as well as the HA receptor CD44, known to mediate leukocyte adhesion to the endothelium, was blunted in monocytes from Apoe/Has3 -DKO mice in response to AngII treatment. These findings underline the pivotal detrimental role of monocyte’s HAS3-dependent pericellular HA matrix for an exaggerated immune cell recruitment to inflammatory foci giving here rise for an increased incidence of ruptured aortic aneurysms.