The mechanical behaviors of monolayer black phosphorene (MBP) are explored by molecular dynamics (MD) simulations using a reactive force field. It is revealed that the temperature and strain rate have a significant influence on the mechanical behavior of MBP, and they are further weakened by SW (Stone–Wales) defects. In general, the tensile strength for both the pristine and SW defective MBP decreases with the increase of temperature or decrease of strain rate. Surprisingly, for relatively high temperature (>300 K) and low strain rate (<5.0 × 10–8 fs–1), a phase transition from the black phosphorene to a mixture of β-phase (β-P) and γ-phase (γ-P) is observed for the SW-2 defective MBP under armchair tension, while self-healing of the SW-2 defect is observed under zigzag tension. A deformation map of SW-2 defective MBP under armchair tension at different temperature and strain rate is established, which is useful for the design of phosphorene allotropes by strain. The results presented herein yield useful insights for designing and tuning the structure, and the mechanical and physical properties of phosphorene.

Abstract Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is the virus that causes coronavirus disease 2019 (COVID-19), the respiratory illness responsible for the COVID-19 pandemic. SARS-CoV-2 is a positive-stranded RNA virus belongs to Coronaviridae family. The viral genome of SARS-CoV-2 contains around 29.8 kilobase with a 5′-cap structure and 3′-poly-A tail, and shows 79.2% nucleotide identity with human SARS-CoV-1, which caused the 2002-2004 SARS outbreak. As the successor to SARS-CoV-1, SARS-CoV-2 now has circulated across the globe. There is a growing understanding of SARS-CoV-2 in virology, epidemiology, and clinical management strategies. In this study, we verified the existence of two 18-22 nt small viral RNAs (svRNAs) derived from the same precursor in human specimens infected with SARS-CoV-2, including nasopharyngeal swabs and formalin-fixed paraffin-embedded (FFPE) explanted lungs from lung transplantation of COVID-19 patients. We then simulated and confirmed the formation of these two SARS-CoV-2-Encoded small RNAs in human lung epithelial cells. And the potential pro-inflammatory effects of the splicing and maturation process of these two svRNAs in human lung epithelial cells were also explored. By screening cytokine storm genes and the characteristic expression profiling of COVID-19 in the explanted lung tissues and the svRNAs precursor transfected human lung epithelial cells, we found that the maturation of these two small viral RNAs contributed significantly to the infection associated lung inflammation, mainly via the activation of the CXCL8, CXCL11 and type I interferon signaling pathway. Taken together, we discovered two SARS-CoV-2-Encoded small RNAs and investigated the pro-inflammatory effects during their maturation in human lung epithelial cells, which might provide new insight into the pathogenesis and possible treatment options for COVID-19.

ABSTRACT The Pseudomonas putida group in the Gammaproteobacteria has been intensively studied for bioremediation and plant growth promotion. Members of this group have recently emerged as promising hosts to convert intermediates derived from plant biomass to biofuels and biochemicals. However, most strains of P. putida cannot metabolize pentose sugars derived from hemicellulose. Here we describe three isolates that provide a broader view of the pentose sugar catabolism in the P. putida group. One of these isolates clusters with the well-characterized P. alloputida KT2440 (strain BP6); the second isolate clustered with plant growth-promoting strain P. putida W619 (strain M2), while the third isolate represents a new species in the group (strain BP8). Each of these isolates possessed homologous genes for oxidative xylose catabolism ( xylDXA ) and a potential xylonate transporter. Strain M2 grew on arabinose and had genes for oxidative arabinose catabolism ( araDXA ). A CRISPRi system was developed for strain M2 and identified conditionally essential genes for xylose growth. A glucose dehydrogenase was found to be responsible for initial oxidation of xylose and arabinose in strain M2. These isolates have illuminated inherent diversity in pentose catabolism in the P. putida group and may provide alternative hosts for biomass conversion. Originality-Significance Statement Members of the Pseudomonas putida group are intensively studied for their role in plant growth promotion and biomass conversion. Despite this interest, the scope of pentose oxidation, key sugars in plant biomass, in this group is not known. Here, we report targeted isolation of members of the P. putida group that grow by xylose and arabinose oxidation. Using a combined genomic and proteomic approach, we identify gene products involved in pentose oxidation and identify conditionally essential genes for xylose oxidation using a CRISPRi gene repression approach. This work describes a targeted isolation and analysis strategy that may applied for many microbial groups of industrial and agricultural interest.

Abstract Sustainable aviation fuel (SAF) will significantly impact global warming in the aviation sector, and important SAF targets are emerging. Isoprenol is a precursor for a promising SAF compound DMCO (1,4-dimethylcyclooctane), and has been produced in several engineered microorganisms. Recently, Pseudomonas putida has gained interest as a future host for isoprenol bioproduction as it can utilize carbon sources from inexpensive plant biomass. Here, we engineer metabolically versatile host P. putida for isoprenol production. We employ two computational modeling approaches (Bilevel optimization and Constrained Minimal Cut Sets) to predict gene knockout targets and optimize the “IPP-bypass” pathway in P. putida to maximize isoprenol production. Altogether, the highest isoprenol production titer from P. putida was achieved at 3.5 g/L under fed-batch conditions. This combination of computational modeling and strain engineering on P. putida for an advanced biofuels production has vital significance in enabling a bioproduction process that can use renewable carbon streams.

Melanocortins are peptide hormones critical for stress response, energy homeostasis, inflammation, and skin pigmentation. Their functions are mediated by five G protein-coupled receptors (MC1R to MC5R), predominately through the stimulatory G protein (Gs). MC1R, the founding member of melanocortin receptors, is mainly expressed in melanocytes and is involved in melanogenesis. Dysfunction of MC1R is associated with the development of melanoma and skin cancer. Here we present three cryo-electron microscopy structures of the MC1R-Gs complexes bound to endogenous hormone α-MSH, a marketed drug afamelanotide, and a synthetic agonist SHU9119. These structures reveal the orthosteric binding pocket for the conserved HFRW motif among melanocortins and the crucial role of calcium ion in ligand binding. They also demonstrate the basis of differential activities among different ligands. In addition, unexpected interactions between MC1R and the Gβ subunit were discovered from these structures. Together, our results provide a conserved mechanism of calcium-mediated ligand recognition, specific mode of G protein coupling, and a universal activation pathway of melanocortin receptors.

Abstract Epstein-Barr virus (EBV), a human herpes virus, encodes 44 microRNAs (miRNAs), which regulate many genes with various functions in EBV-infected cells. Multiple target genes of the EBV miRNAs have been identified, some of which play important roles in adaptive antiviral immune responses. Using EBV mutant derivatives, we identified additional roles of viral miRNAs in governing versatile type I interferon (IFN) responses upon infection of human primary mature B cells. We also found that Epstein-Barr virus-encoded small RNAs (EBERs) and LF2, viral genes with previously reported functions in inducing or regulating IFN-I pathways, had negligible or even contrary effects on secreted IFN-α in our model. Data mining and Ago PAR-CLIP experiments uncovered more than a dozen of previously uncharacterized, direct cellular targets of EBV miRNA associated with type I IFN pathways. We also identified indirect targets of EBV miRNAs in B cells, such as TRL7 and TLR9, in the pre-latent phase of infection. The presence of epigenetically naïve, non-CpG methylated viral DNA was essential to induce IFN-α secretion during EBV infection in a TLR9-dependent manner. In a newly established fusion assay, we verified that EBV virions enter a subset of plasmacytoid dendritic cells (pDCs) and determined that these infected pDCs are the primary producers of IFN-α in EBV-infected peripheral blood mononuclear cells. Our findings document that many EBV-encoded miRNAs regulate type I IFN response in newly EBV infected primary human B cells in the pre-latent phase of infection and dampen the acute release of IFN-α in pDCs upon their encounter with EBV. Author summary Acute antiviral functions of all nucleated cells rely on type I interferon (IFN-I) pathways triggered upon viral infection. Host responses encompass the sensing of incoming viruses, the activation of specific transcription factors which induce transcription of IFN-I genes, the secretion of different IFN-I types and their recognition by the heterodimeric IFN-α/β receptor, the subsequent activation of JAK/STAT signaling pathways and, finally, the transcription of many IFN-stimulated genes (ISGs). In sum, these cellular functions establish a so-called antiviral state in infected and neighboring cells. To counteract these cellular defense mechanisms, viruses have evolved diverse strategies and encode gene products that target antiviral responses. Among such immune evasive factors are viral microRNAs (miRNAs) that can interfere with host gene expression. We discovered that multiple miRNAs encoded by Epstein-Barr virus (EBV) control over a dozen cellular genes that contribute to the anti-viral states of immune cells, specifically B cells and plasmacytoid dendritic cells (pDCs). We identified the viral DNA genome as the activator of IFN-α and question the role of abundant EBV EBERs, that, contrary to previous reports, do not have an apparent inducing function in the IFN-I pathway early after infection.

Abstract Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is a common and heterogeneous respiratory disease, the molecular complexity of which remains poorly understood, as well as the mechanisms by which aging and smoking facilitate COPD development. Here, using single-cell RNA sequencing of more than 65,000 cells from COPD and age-stratified control lung tissues of donors with different smoking histories, we identified monocytes, club cells, and macrophages as the most disease-, aging-, and smoking-relevant cell types, respectively. Notably, we found these highly cell-type specific changes under different conditions converged on cellular dysfunction of the alveolar epithelium. Deeper investigations revealed that the alveolar epithelium damage could be attributed to the abnormally activated monocytes in COPD lungs, which could be amplified via exhaustion of club cell stemness as ages. Moreover, the enhanced intercellular communications in COPD lungs as well as the pro-inflammatory interaction between macrophages and endothelial cells indued by smoking could facilitate signaling between monocyte and the alveolar epithelium. Our findings complement the existing model of COPD pathogenesis by emphasizing the contributions of the previously less appreciated cell types, highlighting their candidacy as potential therapeutic targets for COPD.

Abstract The human AAA+ ATPase CLPB (SKD3) is a protein disaggregase in the mitochondrial intermembrane space and functions to promote the solubilization of various mitochondrial proteins. CLPB deficiency by mutations is associated with a few human diseases with neutropenia and neurological disorders. Unlike canonical AAA+ proteins, CLPB contains a unique ankyrin repeat domain (ANK) at its N-terminus. The mechanism of CLPB functions as a disaggregase and the role of its ANK domain are currently unclear. Herein, we report a comprehensive structural characterization of human CLPB in both the apo- and substrate-bound states. CLPB assembles into homo- tetradecamers in apo-state and is remodeled into homo-dodecamers upon binding to substrates. Conserved pore- loops on the ATPase domains form a spiral staircase to grip and translocate the substrate in a step-size of two amino acid residues. The ANK domain is not only responsible for maintaining the higher-order assembly but also essential for the disaggregase activity. Interactome analysis suggests that the ANK domain may directly interact with a variety of mitochondrial substrates. These results reveal unique properties of CLPB as a general disaggregase in mitochondria and highlight its potential as a target for the treatment of various mitochondria-related diseases.

The balanced gut microbiota in intestinal mucus layer plays an instrumental role in the health of the host. However, the mechanisms by which the host regulates microbial communities in the mucus layer remain largely unknown. Here, we discovered that the host regulates bacterial colonization in the gut mucus layer by producing a protein called Chitinase 3-like protein 1 (Chi3l1). Intestinal epithelial cells are stimulated by the gut microbiota to express Chi3l1. Once expressed, Chi3l1 is secreted into the mucus layer where it interacts with the gut microbiota, specifically through a component of bacterial cell walls called peptidoglycan. This interaction between Chi3l1 and bacteria is beneficial for the colonization of bacteria in the mucus, particularly for gram-positive bacteria like Lactobacillus. Moreover, a deficiency of Chi3l1 leads to an imbalance in the gut microbiota, which exacerbates colitis induced by dextran sodium sulfate (DSS). By performing fecal microbiota transplantation from Villin-cre mice or replenishing Lactobacillus in IECΔChil1 mice, we were able to restore their colitis to the same level as that of Villin-cre mice. In summary, this study shows a “scaffold model” for microbiota homeostasis by interaction between intestinal Chi3l1 and bacteria cell wall interaction, and it also highlights that an unbalanced gut microbiota in the intestinal mucus contributes to the development of colitis.

Members of Agrobacterium are costly plant pathogens while also essential tools for plant transformation. Though Agrobacterium-mediated transformation (AMT) has been heavily studied, its polygenic nature and its complex transcriptional regulation make identifying the genetic basis of transformational efficiency difficult through traditional genetic and bioinformatic approaches. Here we use a bottom-up synthetic approach to systematically refactor the tumor-inducing plasmid, wherein the majority of AMT machine components are encoded, into a minimal set of genes capable of plant and fungal transformation that is both controllable and orthogonal to its environment. We demonstrate that engineered vectors can be transferred to new heterologous bacteria, enabling them to transform plants. Our reductionist approach demonstrates how bottom-up engineering can be used to dissect and elucidate the genetic underpinnings of complex biological traits, and may lead to the development of strains of bacteria more capable of transforming recalcitrant plant species of societal importance.