Temporal resolution of cellular features associated with a severe COVID-19 disease trajectory is needed for understanding skewed immune responses and defining predictors of outcome. Here, we performed a longitudinal multi-omics study using a two-center cohort of 14 patients. We analyzed the bulk transcriptome, bulk DNA methylome, and single-cell transcriptome (>358,000 cells, including BCR profiles) of peripheral blood samples harvested from up to 5 time points. Validation was performed in two independent cohorts of COVID-19 patients. Severe COVID-19 was characterized by an increase of proliferating, metabolically hyperactive plasmablasts. Coinciding with critical illness, we also identified an expansion of interferon-activated circulating megakaryocytes and increased erythropoiesis with features of hypoxic signaling. Megakaryocyte- and erythroid-cell-derived co-expression modules were predictive of fatal disease outcome. The study demonstrates broad cellular effects of SARS-CoV-2 infection beyond adaptive immune cells and provides an entry point toward developing biomarkers and targeted treatments of patients with COVID-19.

Abstract Genetic variation of the entire genome represents population structure, yet individual loci can show distinct patterns. Such deviations identified through genome scans have often been attributed to effects of selective factors instead of randomness, assuming that the genomic intervals are long enough to average out randomness in underlying genealogies. However, an alternative explanation to distinct patterns has not been fully addressed: too few genealogies to average out the effect of randomness. Specifically, distinct patterns of genetic variation may be due to reduced local recombination rate, since the number of genealogies in a genomic interval corresponds to the number of ancestral recombination events. Here, we associate distinct patterns of local genetic variation with reduced recombination rate in a songbird, the Eurasian blackcap, using genome sequences and recombination maps. We find that distinct patterns of local genetic variation represent haplotype structure at low-recombining regions present either in all populations or only in a few populations. At the former species-wide low- recombining regions, genetic variation depicts conspicuous haplotypes segregating in multiple populations. On the contrary, at the latter population-specific low-recombining regions, genetic variation primarily represents cryptic haplotype structure among individuals of the low-recombining populations. With simulations, we confirm that reduction in recombination rate alone can cause distinct patterns of genetic variation mirroring our empirical data. Our results highlight that distinct patterns of genetic variation can emerge through evolution of reduced local recombination rate. Recombination landscape as an evolvable trait therefore plays an important role determining the heterogeneous distribution of genetic variation along the genome.

Abstract Background Dysregulation of microRNAs (miRNAs) is involved in the pathogenesis of neurodegenerative diseases, including Alzheimer’s disease (AD). Hitherto, sample sizes from differential miRNA expression studies in AD are exceedingly small aggravating any biological inference. To overcome this limitation, we investigated six candidate miRNAs in a large collection of brain samples. Methods Brain tissue was derived from superior temporal gyrus (STG) and entorhinal cortex (EC) from 99 AD patients and 91 controls. Expression of six miRNAs was examined by qPCR (STG) or small RNA sequencing (EC). Brain region-dependent differential miRNA expression was investigated in a transgenic AD mouse model using qPCR and FISH. Total RNA sequencing was used to assess differential expression of miRNA target genes. Results MiR-129-5p, miR-132-5p, and miR-138-5p were significantly downregulated in AD vs. controls both in STG and EC, while miR-125b-5p and miR-501-3p showed no evidence for differential expression in this dataset. In addition, miR-195-5p was significantly upregulated in EC but not STG in AD patients. The brain region-specific pattern of miR-195-5p expression was corroborated in vivo in transgenic AD mice. Total RNA sequencing identified several novel and functionally interesting target genes of these miRNAs involved in synaptic transmission ( GABRB1 ), the immune-system response ( HCFC2 ) or AD-associated differential methylation ( SLC16A3 ). Conclusions Using two different methods (qPCR and small RNA-seq) in two separate brain regions in 190 individuals we more than doubled the available sample size for most miRNAs tested. Differential gene expression analyses confirm the likely involvement of miR-129-5p, miR-132-5p, miR-138-5p, and miR-195-5p in AD pathogenesis and highlight several novel potentially relevant target mRNAs. Funding This work was supported by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) and the National Science Foundation China (NSFC) as a Joint Sino-German research project (“MiRNet-AD”, #391523883). Additional support was provided by the DFG Research Infrastructure NGS_CC (project 407495230) as part of the Next Generation Sequencing Competence Network (#423957469) and the Cure Alzheimer’ s Fund (CAF) as part of the CIRCUITS consortium project.

Abstract Background Studies on DNA methylation (DNAm) in Alzheimer’s disease (AD) have recently highlighted several genomic loci showing association with disease onset and progression. Methods Here, we conducted an epigenome-wide association study (EWAS) using DNAm profiles in entorhinal cortex (EC) from 149 AD patients and control brains and combined these with two previously published EC datasets by meta-analysis (total n=337). Results We identified 12 cytosine-phosphate-guanine (CpG) sites showing epigenome-wide significant association with either case-control status or Braak’s tau-staging. Four of these CpGs, located in proximity to CNFN/LIPE, TENT5A, PALD1/PRF1 , and DIRAS1 , represent novel findings. Integrating DNAm levels with RNA sequencing-based mRNA expression data generated in the same individuals showed significant DNAm-mRNA correlations for 6 of the 12 significant CpGs. Lastly, by calculating rates of epigenetic age acceleration using two recently proposed “epigenetic clock” estimators we found a significant association with accelerated epigenetic aging in AD patients vs. controls. Conclusion In summary, our study represents the hitherto most comprehensive EWAS in AD using EC and highlights several novel differentially methylated loci with potential effects on gene expression.

Abstract Most microbes evolve faster than their hosts and should therefore drive evolution of host-microbe interactions 1–3 . However, relatively little is known about the characteristics that define the adaptive path of microbes to host-association. In this study we have identified microbial traits that mediate adaptation to hosts by experimentally evolving the bacterium Pseudomonas lurida with the nematode Caenorhabditis elegans . We repeatedly observed the evolution of beneficial host-specialist bacteria with improved persistence in the nematode, achieved by mutations that uniformly upregulate the universal second messenger c-di-GMP. We subsequently upregulated c-di-GMP in different Pseudomonas species, consistently causing increased host-association. Comparison of Pseudomonad genomes from various environments revealed that c-di-GMP underlies adaptation to a variety of hosts, from plants to humans, suggesting that it is fundamental for establishing host-association.

Humans have become one of the greatest evolutionary forces, and their perturbations are expected to elicit strong evolutionary responses. Accordingly, during (size) selective overharvesting of wild populations, marked phenotypic changes have been documented, while the evolutionary basis is often unresolved. Time-series collections combined with genomic tools present unique opportunities to study how evolutionary changes are manifested at the genome-wide level. Here, we take advantage of a unique temporal dataset from the overexploited Eastern Baltic cod (Gadus morhua) population that exhibited a 48% decrease in asymptotic body length over the last 25 years. A genome-wide association study revealed pronounced peaks of outliers linked to growth performance. The contributing loci showed signals of directional selection with significantly high autocovariance in the allele frequency and excessive intersections with regions of high Fst as well as genes relevant to growth and reproduction. Moreover, pattern of directional selection for ancestral haplotype of the well-known chromosomal inversions in Atlantic cod (on linkage group 12) was observed, while the double crossover (~1Mb) enharbouring the vitellogenin genes within this region showed signs of drift or balancing selection. Our results demonstrate evident response of the genome over a relatively short time frame and further underscore implications for fisheries management and conservation policy regarding the adaptive potential of marine populations.

Abstract Background Brown algae (Phaeophyceae) are essential species in coastal ecosystems where they form kelp forests and seaweed beds that support a wide diversity of marine life. Host-associated microbial communities are an integral part of phaeophyte biology. The bacterial microbial partners of brown algae have received far more attention than microbial eukaryotes. To our knowledge, this is the first study to investigate brown algal-associated eukaryotes (the eukaryome) using broadly targeting ‘pan-eukaryotic’ primers and high throughput sequencing (HTS). Using this approach, we aimed to unveil the eukaryome of seven large common brown algal species. We also aimed to assess whether these macroalgae harbour novel eukaryotic diversity and to ascribe putative functional roles to the host-associated eukaryome, based on taxonomic affiliation and phylogenetic placement. Results Our sequence dataset was dominated by brown algal reads, from the host species and potential symbionts. We also detected a broad taxonomic diversity of eukaryotes in the brown algal holobiomes, with OTUs taxonomically assigned to ten of the eukaryotic major Kingdoms or supergroups. A total of 265 microeukaryotic and epi-endophytic operational taxonomic units (OTUs) were defined, using 97% similarity cut off during clustering, and were dominated by OTUs assigned to stramenopiles, Alveolata and Fungi. Almost one third of the OTUs we detected have not been found in previous molecular environmental surveys, and represented potential novel eukaryotic diversity. This potential novel diversity was particularly prominent in phylogenetic groups comprising heterotrophic and parasitic organisms, such as labyrinthulids and oomycetes, Cercozoa, and Amoebozoa. Conclusions Our findings provide important baseline data for future studies of seaweed-associated microorganisms, and demonstrate that microeukaryotes and epi-endophytic eukaryotes should be considered as an integral part of brown algal holobionts. The potential novel eukaryotic diversity we found and the fact that the vast majority of macroalgae in marine habitats remain unexplored, demonstrates that brown algae and other seaweeds are potentially rich sources for a large and hidden diversity of novel microeukaryotes and epi-endophytes.

Abstract Arboviruses transmitted by mosquitoes are responsible for the death of millions of people each year. In addition to arboviruses, many insect-specific viruses (ISVs) have been discovered in mosquitoes in the last decade. ISVs, in contrast to arboviruses transmitted by mosquitoes to vertebrates, cannot replicate in vertebrate cells even when they are evolutionarily closely related to arboviruses. The alphavirus genus includes many arboviruses, although only a few ISVs have been discovered from this genus so far. Here, we investigate the interactions of a recently isolated insect-specific alphavirus, Agua-Salud alphavirus (ASALV), with its mosquito host. RNAi is one of the essential antiviral responses against arboviruses, although there is little knowledge on the interactions of RNAi with ISVs. Through knock-down of transcripts of the different key RNAi pathway (siRNA, miRNA and piRNA) proteins, we show the antiviral role of Ago2 (siRNA), Ago1 (miRNA), and Piwi4 proteins against ASALV in Aedes aegypti derived cells. ASALV replication increased in Dicer2 and Ago2 knock-out cells, confirming the antiviral role of the siRNA pathway. In infected cells, mainly ASALV-specific siRNAs are produced while piRNAs, with the characteristic nucleotide bias resulting from ping-pong amplification, are only produced in Dicer2 knock-out cells. Taken together, ASALV interactions with the mosquito RNAi response differs from arthropod-borne alphaviruses in some aspects, although they also share some commonalities. Further research is needed to understand whether the identified differences can be generalised to other insect-specific alphaviruses.

Summary Background Pseudomonas aeruginosa is an opportunistic pathogen consisting of three phylogroups (hereafter named A, B, and C) of unevenly distributed size. Here, we assessed phylogroup-specific evolutionary dynamics in a collection of P. aeruginosa genomes. Methods In this genomic analysis, using phylogenomic and comparative genomic analyses, we generated 18 hybrid assemblies from a phylogenetically diverse collection of clinical and environmental P. aeruginosa isolates, and contextualised this information with 1991 publicly available genomes of the same species. We explored to what extent antimicrobial resistance (AMR) genes, defence systems, and virulence genes vary in their distribution across regions of genome plasticity (RGPs) and “masked” (RGP-free) genomes, and to what extent this variation differs among the phylogroups. Findings We found that members of phylogroup B possess larger genomes, contribute a comparatively larger number of pangenome families, and show lower abundance of CRISPR-Cas systems. Furthermore, AMR and defence systems are pervasive in RGPs and integrative and conjugative/mobilizable elements (ICEs/IMEs) from phylogroups A and B, and the abundance of these cargo genes is often significantly correlated. Moreover, inter- and intra-phylogroup interactions occur at the accessory genome level, suggesting frequent recombination events. Finally, we provide here a panel of diverse P. aeruginosa strains to be used as reference for functional analyses. Interpretation Altogether, our results highlight distinct pangenome characteristics of the P. aeruginosa phylogroups, which are possibly influenced by variation in the abundance of CRISPR-Cas systems and that are shaped by the differential distribution of other defence systems and AMR genes. Funding German Science Foundation, Max-Planck Society, Leibniz ScienceCampus Evolutionary Medicine of the Lung, BMBF program Medical Infection Genomics, Kiel Life Science Postdoc Award. Research in context Evidence before this study To date, pangenome studies exploring the epidemiology and evolution dynamics of bacterial pathogens have been limited due to the use of gene frequencies across whole species dataset without accounting for biased sampling or the population structure of the genomes in the dataset. We searched PubMed without language restrictions for articles published before September 1, 2021, that investigated the phylogroup-specific evolutionary dynamics across bacterial species. In this literature search we used the search terms “pangenome” and “phylogroup” or “uneven”, which returned 14 results. Of these, only one study used a population structure-aware approach to explore pangenome dynamics in a bacterial species consisting of multiple phylogroups with unevenly distributed members. Added value of this study To our knowledge, this study is the first to assess phylogroup-specific evolutionary dynamics in a collection of genomes belonging to the nosocomial pathogen P. aeruginosa. Using a refined approach that challenges traditional pangenome analyses, we found specific signatures for each of the three phylogroups, and we demonstrate that members of phylogroup B contribute a comparatively larger number of pangenome families, have larger genomes, and have a lower prevalence of CRISPR-Cas systems. Additionally, we observed that antibiotic resistance and defence systems are pervasive in regions of genome plasticity and integrative and conjugative/mobilizable elements from phylogroups A and B, and that antibiotic resistance and defence systems are often significantly correlated in these mobile genetic elements. Implications of all the available evidence These results indicate that biases inherent to traditional pangenome approaches can obscure the real distribution of important cargo genes in a bacterial species with a complex population structure. Furthermore, our findings pave the way to new pangenome approaches that are currently under-explored in comparative genomics and, crucially, shed a new light on the role that integrative and conjugative/mobilizable elements may play in protecting the host against foreign DNA.

Meiotic crossovers (COs) ensure proper chromosome segregation and redistribute the genetic variation that is transmitted to the next generation. Existing methods for CO identification are challenged by large populations and the demand for genome-wide and fine-scale resolution. Taking advantage of linked-read sequencing, we developed a highly efficient method for genome-wide identification of COs at kilobase resolution in pooled recombinants. We first tested this method using a pool of Arabidopsis F2 recombinants, and obtained results that recapitulated those identified from the same plants using individual whole-genome sequencing. By applying this method to a pool of pollen DNA from a single F1 plant, we established a highly accurate CO landscape without generating or sequencing a single recombinant plant. The simplicity of this approach now enables the simultaneous generation and analysis of multiple CO landscapes and thereby allows for efficient comparison of genotypic and environmental effects on recombination, accelerating the pace at which the mechanisms for the regulation of recombination can be elucidated.