Physical exercise is generally beneficial to all aspects of human and animal health, slowing cognitive ageing and neurodegeneration1. The cognitive benefits of physical exercise are tied to an increased plasticity and reduced inflammation within the hippocampus2-4, yet little is known about the factors and mechanisms that mediate these effects. Here we show that 'runner plasma', collected from voluntarily running mice and infused into sedentary mice, reduces baseline neuroinflammatory gene expression and experimentally induced brain inflammation. Plasma proteomic analysis revealed a concerted increase in complement cascade inhibitors including clusterin (CLU). Intravenously injected CLU binds to brain endothelial cells and reduces neuroinflammatory gene expression in a mouse model of acute brain inflammation and a mouse model of Alzheimer's disease. Patients with cognitive impairment who participated in structured exercise for 6 months had higher plasma levels of CLU. These findings demonstrate the existence of anti-inflammatory exercise factors that are transferrable, target the cerebrovasculature and benefit the brain, and are present in humans who engage in exercise.

ABSTRACT Suspended animation states such as hibernation or diapause allow organisms to survive extreme environments. But the mechanisms underlying the evolution of these extreme survival states are unknown. The African turquoise killifish has evolved diapause as a form of suspended development to survive the complete drought that occurs every year in its habitat. Here we show that many gene duplicates – paralogs – exhibit specialized expression in diapause versus normal development in the African turquoise killifish. Surprisingly, paralogs with specialized expression in diapause are evolutionarily very ancient, and they are also present even in vertebrates that do not exhibit diapause. Profiling the chromatin accessibility landscape among different fish species reveals an evolutionarily recent increase in chromatin accessibility at these very ancient paralogs, suggesting rewiring of their regulatory landscape. The increase in chromatin accessibility in the African turquoise killifish is linked to the presence of new binding sites for transcription factors (e.g., FOXO, REST, and PPAR), due to both de novo mutations and transposable element insertion. Interestingly, accessible chromatin regions in diapause are enriched for lipid metabolism genes. By performing lipidomics in different fish species, we uncover a specific lipid profile in African turquoise killifish embryos in diapause. Notably, select very long-chain fatty acids are high in diapause, suggesting they may be used for long-term survival in this state. Together, our multi-omic analysis indicates that diapause is driven by regulatory innovation of very ancient gene programs that are critical for survival. Our work also suggests a mechanism for how complex adaptations evolve in nature and offers strategies by which a suspended animation program could be reactivated in other species for long-term preservation.

Abstract Summary Accurate and efficient compound annotation is a long-standing challenge for LC−MS-based data (e.g. untargeted metabolomics and exposomics). Substantial efforts have been devoted to overcoming this obstacle, whereas current tools are limited by the sources of spectral information used (in-house and public databases) and are not automated and streamlined. Therefore, we developed metID , an R package that combines information from all major databases for comprehensive and streamlined compound annotation. metID is a flexible, simple, and powerful tool that can be installed on all platforms, allowing the compound annotation process to be fully automatic and reproducible. A detailed tutorial and a case study are provided in Supplementary Materials. Availability and implementation https://jaspershen.github.io/metID/ . Contact jiangzhu@sioc.ac.cn and mpsnyder@stanford.edu

Abstract The aging brain exhibits a decline in the regenerative populations of neural stem cells (NSCs), which may underlie age-associated defects in sensory and cognitive functions 1–6 . While mechanisms that restore old NSC function have started to be identified 7–23 , the role of lipids – especially complex lipids – in NSC aging remains largely unclear. Using lipidomic profiling by mass spectrometry, we identify age-related lipidomic signatures in young and old quiescent NSCs in vitro and in vivo . These analyses reveal drastic changes in several complex membrane lipid classes, including phospholipids and sphingolipids in old NSCs. Moreover, poly-unsaturated fatty acids (PUFAs) strikingly increase across complex lipid classes in quiescent NSCs during aging. Age-related changes in complex lipid levels and side chain composition are largely occurring in plasma membrane lipids, as revealed by lipidomic profiling of isolated plasma membrane vesicles. Experimentally, we find that aging is accompanied by modifications in plasma membrane biophysical properties, with a decrease in plasma membrane order in old quiescent NSCs in vitro and in vivo . To determine the functional role of plasma membrane lipids in aging NSCs, we performed genetic and supplementation studies. Knockout of Mboat2 , which encodes a phospholipid acyltransferase, exacerbates age-related lipidomic changes in old quiescent NSCs and impedes their ability to activate. As Mboat2 expression declines with age, Mboat2 deficiency may drive NSC decline during aging. Interestingly, supplementation of plasma membrane lipids derived from young NSCs boosts the ability of old quiescent NSCs to activate. Our work could lead to lipid-based strategies for restoring the regenerative potential of NSCs in old individuals, which has important implications for countering brain decline during aging.

Summary Neutrophils are the most abundant white blood cells in humans and constitute one of the first lines of defense in the innate immune response. Neutrophils are extremely short-lived cells, which survive less than a day after reaching terminal differentiation. Thus, little is known about how organismal aging, rather than the daily cellular aging process, may impact neutrophil biology. In addition, accumulating evidence suggests that both immunity and organismal aging are sex-dimorphic. Here, we describe a multi-omic resource of mouse primary bone marrow neutrophils from young and old female and male mice, at the transcriptomic, metabolomic and lipidomic levels. Importantly, we identify widespread age-related and sex-dimorphic regulation of ‘omics’ in neutrophils, specifically regulation of chromatin. Using machine-learning, we identify candidate molecular drivers of age-related and sex-dimorphic transcriptional regulation of neutrophils. We leverage our resource to predict increased levels/release of neutrophil elastase in male mice. To date, this dataset represents the largest multi-omics resource for the study of neutrophils across biological sex and ages. This resource identifies molecular states linked to neutrophil characteristics linked to organismal age or sex, which could be targeted to improve immune responses across individuals.

ABSTRACT Neutrophil elastase (NE) is implicated in pulmonary arterial hypertension (PAH) but the role of neutrophils in the pathogenesis of PAH is unclear. Here we show that neutrophils from PAH vs. control subjects produce and release increased NE associated with enhanced extracellular trap formation. PAH neutrophils are highly adherent and show decreased migration consistent with increased vinculin, identified on proteomic analysis and previously linked to an antiviral response. This was substantiated by a transcriptomic interferon signature in PAH neutrophils and an increase in human endogenous retrovirus (HERV-K) envelope protein. NE and interferon genes are induced by HERV-K envelope and vinculin is increased by HERV-K dUTPase that is elevated in PAH plasma. Neutrophil exosomes from PAH plasma contain increased NE and HERV-K envelope and induce pulmonary hypertension in mice, that is mitigated by the NE inhibitor and antiviral agent, elafin. Thus, elevated HERVs explain pathological neutrophils linked to PAH induction and progression.

To understand dynamic interplay between the human microbiome and host during health and disease, we analyzed the microbial composition, temporal dynamics, and associations with host multi-omics, immune and clinical markers of microbiomes from four body sites in 86 participants over six years. We found that microbiome stability and individuality are body-site-specific and heavily influenced by the host. The stool and oral microbiome were more stable than the skin and nasal microbiomes, possibly due to their interaction with the host and environment. Also, we identified individual-specific and commonly shared bacterial taxa, with individualized taxa showing greater stability. Interestingly, microbiome dynamics correlated across body sites, suggesting systemic coordination influenced by host-microbial-environment interactions. Notably, insulin-resistant individuals showed altered microbial stability and associations between microbiome, molecular markers, and clinical features, suggesting their disrupted interaction in metabolic disease. Our study offers comprehensive views of multi-site microbial dynamics and their relationship with host health and disease.The stability of the human microbiome varies among individuals and body sites.Highly individualized microbial genera are more stable over time.At each of the four body sites, systematic interactions between the environment, the host and bacteria can be detected.Individuals with insulin resistance have lower microbiome stability, a more diversified skin microbiome, and significantly altered host-microbiome interactions.

ABSTRACT Modern mass spectrometers routinely allow deep proteome coverage in a single experiment. These methods are typically operated at nano and micro flow regimes, but they often lack throughput and chromatographic robustness, which is critical for large-scale studies. In this context, we have developed, optimized and benchmarked LC-MS methods combining the robustness and throughput of analytical flow chromatography with the added sensitivity provided by the Zeno trap across a wide range of cynomolgus monkey and human matrices of interest for toxicological studies and clinical biomarker discovery. SWATH data independent acquisition (DIA) experiments with Zeno trap activated (Zeno SWATH DIA) provided a clear advantage over conventional SWATH DIA in all sample types tested with improved sensitivity, quantitative robustness and signal linearity as well as increased protein coverage by up to 9-fold. Using a 10-min gradient chromatography, up to 3,300 proteins were identified in tissues at 2 µg peptide load. Importantly, the performance gains with Zeno SWATH translated into better biological pathway representation and improved the ability to identify dysregulated proteins and pathways associated with two metabolic diseases in human plasma. Finally, we demonstrate that this method is highly stable over time with the acquisition of reliable data over the injection of 1,000+ samples (14.2 days of uninterrupted acquisition) without the need for human intervention or normalization. Altogether, Zeno SWATH DIA methodology allows fast, sensitive and robust proteomic workflows using analytical flow and is amenable to large-scale studies. This work provides detailed method performance assessment on a variety of relevant biological matrices and serves as a valuable resource for the proteomics community.

Exercise testing is routinely used in clinical practice to assess fitness - a strong predictor of survival - as well as causes of exercise limitations. While these studies often focus on cardiopulmonary response and selected molecular pathways, the dynamic system-wide molecular response to exercise has not been fully characterized. We performed a longitudinal multi-omic profiling of plasma and peripheral blood mononuclear cells including transcriptome, immunome, proteome, metabolome and lipidome in 36 well-characterized volunteers before and after a controlled bout of acute exercise (2, 15, 30 min and 1 hour in recovery). Integrative analysis revealed an orchestrated choreography of biological processes across key tissues. Most of these processes were dampened in insulin resistant participants. Finally, we discovered biological pathways involved in exercise capacity and developed prediction models revealing potential resting blood-based biomarkers of fitness.

Physical exercise seems universally beneficial to human and animal health, slowing cognitive aging and neurodegeneration. Cognitive benefits are tied to increased plasticity and reduced inflammation within the hippocampus, yet little is known about the factors and mechanisms mediating these effects. We discovered 'runner' plasma, collected from voluntarily running mice, infused into sedentary mice recapitulates the cellular and functional benefits of exercise on the brain. Importantly, runner plasma reduces baseline neuroinflammatory gene expression and prominently suppresses experimentally induced brain inflammation. Plasma proteomic analysis shows a striking increase in complement cascade inhibitors including clusterin, which is necessary for the anti-inflammatory effects of runner plasma. Cognitively impaired patients participating in structured exercise for 6 months showed higher plasma clusterin levels, which correlated positively with improvements in endurance and aerobic capacity. These findings demonstrate the existence of anti-inflammatory ′exercise factors′ that are transferrable, benefit the brain, and are present in humans engaging in exercise.