Abstract Microgravity is associated with immunological dysfunction, though the mechanisms are poorly understood. Here, using single-cell analysis of human peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) exposed to short term (25 hours) simulated microgravity, we characterize altered genes and pathways at basal and stimulated states with a Toll-like Receptor-7/8 agonist. We validate single-cell analysis by RNA sequencing and super-resolution microscopy, and against data from the Inspiration-4 (I4) mission, JAXA (Cell-Free Epigenome) mission, Twins study, and spleens from mice on the International Space Station. Overall, microgravity alters specific pathways for optimal immunity, including the cytoskeleton, interferon signaling, pyroptosis, temperature-shock, innate inflammation (e.g., Coronavirus pathogenesis pathway and IL-6 signaling), nuclear receptors, and sirtuin signaling. Microgravity directs monocyte inflammatory parameters, and impairs T cell and NK cell functionality. Using machine learning, we identify numerous compounds linking microgravity to immune cell transcription, and demonstrate that the flavonol, quercetin, can reverse most abnormal pathways. These results define immune cell alterations in microgravity, and provide opportunities for countermeasures to maintain normal immunity in space.

Abstract Telomeres are repetitive nucleoprotein complexes at chromosomal termini essential for maintaining genome stability. Telomeric RNA, or TERRA, is a previously presumed long noncoding RNA of heterogeneous lengths that contributes to end-capping structure and function, and facilitates telomeric recombination in tumors that maintain telomere length via the telomerase-independent Alternative Lengthening of Telomeres (ALT) pathway. Here, we investigated TERRA in the radiation-induced DNA damage response (DDR) across astronauts, high-altitude climbers, healthy donors, and cellular models. Similar to astronauts in the space radiation environment and climbers of Mt. Everest, in vitro radiation exposure prompted increased transcription of TERRA, while simulated microgravity did not. Data suggest a specific TERRA DDR to telomeric double-strand breaks (DSBs), and provide direct demonstration of hybridized TERRA at telomere-specific DSB sites, indicative of protective TERRA:telomeric DNA hybrid formation. Targeted telomeric DSBs also resulted in accumulation of TERRA foci in G2-phase, supportive of TERRA’s role in facilitating recombination-mediated telomere elongation. Results have important implications for scenarios involving persistent telomeric DNA damage, such as those associated with chronic oxidative stress (e.g., aging, systemic inflammation, environmental and occupational radiation exposures), which can trigger transient ALT in normal human cells, as well as for targeting TERRA as a therapeutic strategy against ALT-positive tumors.

Abstract The “gut-brain axis” is emerging as an important target in Alzheimer’s disease (AD). However, immunological mechanisms underlying this axis remain poorly understood. Using single-cell RNA sequencing of the colon immune compartment in the 5XFAD amyloid-β (Aβ) mouse model, we uncovered AD-associated changes in ribosomal activity, oxidative stress, and BCR/plasma cell activity. Strikingly, levels of colon CXCR4 + antibody secreting cells (ASCs) were significantly reduced. This corresponded with accumulating CXCR4 + B cells and gut-specific IgA + cells in the brain and dura mater, respectively. Consistently, a chemokine ligand for CXCR4, CXCL12, was expressed at higher levels in 5XFAD glial cells and in in silico analyzed human brain studies, supporting altered neuroimmune trafficking. An inulin prebiotic fiber diet attenuated AD markers including Aβ plaques and overall frailty. These changes corresponded to an expansion of gut IgA + cells and rescued peripheral T regs levels. Our study points to a key glia-gut axis and potential targets against AD. Study Highlights AD is associated with altered immune parameters in the gut of 5XFAD mice. 5 XFAD colon has reduced ASCs, including CXCR4 + cells with a migratory gene signature. 5XFAD brain gliosis includes increased CXCL12 expression. CXCR4 + B cells and gut-specific IgA + ASCs accumulate in the 5XFAD brain and/or dura mater. Inulin diet attenuates AD disease parameters while boosting IgA + cell and T reg levels.