Fecal microbiota transplantation (FMT) is a therapeutic intervention for inflammatory diseases of the gastrointestinal tract, but its clinical mode of action and subsequent microbiome dynamics remain poorly understood. Here we analyzed metagenomes from 316 FMTs, sampled pre and post intervention, for the treatment of ten different disease indications. We quantified strain-level dynamics of 1,089 microbial species, complemented by 47,548 newly constructed metagenome-assembled genomes. Donor strain colonization and recipient strain resilience were mostly independent of clinical outcomes, but accurately predictable using LASSO-regularized regression models that accounted for host, microbiome and procedural variables. Recipient factors and donor-recipient complementarity, encompassing entire microbial communities to individual strains, were the main determinants of strain population dynamics, providing insights into the underlying processes that shape the post-FMT gut microbiome. Applying an ecology-based framework to our findings indicated parameters that may inform the development of more effective, targeted microbiome therapies in the future, and suggested how patient stratification can be used to enhance donor microbiota colonization or the displacement of recipient microbes in clinical practice.

Abstract Various cellular quality control mechanisms support proteostasis. While, ribosome-associated chaperones prevent misfolding of nascent chains during translation, importins were shown to prevent the aggregation of specific cargoes in a post-translational mechanism prior the import into the nucleoplasm. Here, we hypothesized that importins may already bind ribosome-associated cargo in a co-translational manner. We systematically measured the nascent chain association of all importins in Saccharomyces cerevisiae by selective ribosome profiling. We identified a subset of importins that bind to a wide range of nascent, often uncharacterized cargoes. This included ribosomal proteins, chromatin remodelers and RNA binding proteins that are aggregation prone in the cytosol. We show that importins act consecutively with other ribosome-associated chaperones. Thus, the nuclear import system is directly intertwined with nascent chain folding and chaperoning. One-Sentence Summary We describe an unanticipated connection between co-translational protein chaperoning and the nuclear import system.

Abstract Human intestinal epithelial cells form a primary barrier protecting us from pathogens, yet only limited knowledge is available about individual contribution of each cell type to mounting an immune response against infection. Here, we developed a pipeline combining single-cell RNA-Seq and highly-multiplex RNA imaging and applied it to human intestinal organoids infected with human astrovirus, a model human enteric virus. We found that interferon controls the infection and that astrovirus infects all major cell types and lineages with a preferential infection of proliferating cells. Intriguingly, each intestinal epithelial cell lineage has a unique basal expression of interferon-stimulated genes and, upon astrovirus infection, undergoes an antiviral transcriptional reprogramming by upregulating distinct sets of interferon-stimulated genes. These findings suggest that in the human intestinal epithelium, each cell lineage plays a unique role in resolving virus infection. Our pipeline can be applicable to other organoids and viruses, opening new avenues to unravel roles of individual cell types in viral pathogenesis.

Abstract Faecal microbiota transplantation (FMT) is an efficacious therapeutic intervention, but its clinical mode of action and underlying microbiome dynamics remain poorly understood. Here, we analysed the metagenomes associated with 142 FMTs, in a time series-based meta-study across five disease indications. We quantified strain-level dynamics of 1,089 microbial species based on their pangenome, complemented with 47,548 newly constructed metagenome-assembled genomes. Using subsets of procedural-, host- and microbiome-based variables, LASSO-regularised regression models accurately predicted the colonisation and resilience of donor and recipient microbes, as well as turnover of individual species. Linking this to putative ecological mechanisms, we found these sets of variables to be informative of the underlying processes that shape the post-FMT gut microbiome. Recipient factors and complementarity of donor and recipient microbiomes, encompassing entire communities to individual strains, were the main determinants of individual strain population dynamics, and mostly independent of clinical outcomes. Recipient community state and the degree of residual strain depletion provided a neutral baseline for donor strain colonisation success, in addition to inhibitive priority effects between species and conspecific strains, as well as putatively adaptive processes. Our results suggest promising tunable parameters to enhance donor flora colonisation or recipient flora displacement in clinical practice, towards the development of more targeted and personalised therapies.

Abstract During the co-translational assembly of protein complexes, a fully synthesized subunit engages with the nascent chain of a newly synthesized interaction partner. Such events are thought to contribute to productive assembly, but their exact physiological relevance remains underexplored. Here, we examined structural motifs contained in nucleoporins for their potential to facilitate co-translational assembly. We experimentally tested candidate structural motifs and identified several previously unknown co-translational interactions. We demonstrate by selective ribosome profiling that domain invasion motifs of beta-propellers, coiled-coils, and short linear motifs act as co-translational assembly domains. Such motifs are often contained in proteins that are members of multiple complexes (moonlighters) and engage with closely related paralogs. Surprisingly, moonlighters and paralogs assembled co-translationally in only one but not all of the relevant assembly pathways. Our results highlight the regulatory complexity of assembly pathways.

Abstract Anthracyclines are among the most used and effective anticancer drugs. Their activity has been attributed to DNA double-strand breaks resulting from topoisomerase II poisoning and to eviction of histones from select sites in the genome. Here we show that the extensively used anthracyclines Doxorubicin, Daunorubicin and Epirubicin, decrease the transcription of nuclear factor kappa B (NF-κB)-dependent gene targets, but not interferon responsive genes. Using an NMR-based structural approach, we demonstrate that anthracyclines disturb the complexes formed between the NF-κB subunit RelA and its DNA binding sites. The variant anthracyclines Aclarubicin, Doxorubicinone and the newly developed Dimethyl-doxorubicin, which share anticancer properties with the other anthracyclines but do not induce DNA damage, also suppressed inflammation, thus uncoupling DNA damage from the effects on inflammation. These findings have implications for anticancer therapy and for the development of novel anti-inflammatory drugs with limited side effects for life-threatening conditions such as sepsis.

Abstract Patients with chronic obstructive pulmonary disease (COPD) are still waiting for curative treatments. Considering the environmental cause of COPD (e.g., cigarette smoke) and disease phenotypes, including stem-cell senescence and impaired differentiation, we hypothesized that COPD will be associated with altered epigenetic signaling in lung cells. We generated genome-wide DNA methylation maps at single CpG resolution of primary human lung fibroblasts (HLFs) isolated from distal parenchyma of ex-smoker controls and COPD patients, with both mild and severe disease. The epigenetic landscape is markedly changed in lung fibroblasts across COPD stages, with DNA methylation changes occurring predominantly in regulatory regions, including promoters and enhancers. RNA sequencing of matched fibroblasts demonstrated dysregulation of genes involved in proliferation, DNA repair, and extracellular matrix organization. Notably, we identified epigenetic and transcriptional dysregulation already in mild COPD patients, providing unique insights into early disease. Integration of profiling data identified 110 candidate regulators of disease phenotypes, including epigenetic factors. Using phenotypic screens, we verified the regulator capacity of multiple candidates and linked them to repair processes in the human lung. Our study provides first integrative high-resolution epigenetic and transcriptomic maps of human lung fibroblasts across stages of COPD. We reveal novel transcriptomic and epigenetic signatures associated with COPD onset and progression and identify new candidate regulators involved in the pathogenesis of chronic respiratory diseases. The presence of various epigenetic factors among the candidates demonstrates that epigenetic regulation in COPD is an exciting research field that holds promise for novel therapeutic avenues for patients.

Abstract Background Transposable elements (TEs) widely contributed to the evolution of genomes allowing genomic innovations, generating germinal and somatic heterogeneity and giving birth to long non-coding RNAs (lncRNAs). These features have been associated to the evolution, functioning and complexity of the nervous system at such a level that somatic retrotransposition of long interspersed element (LINE) L1 has been proposed to be associated to human cognition. Among invertebrates, octopuses are fascinating animals whose nervous system reaches a high level of complexity achieving sophisticated cognitive abilities. The sequencing of the genome of the Octopus bimaculoides revealed a striking expansion of TEs which were proposed to have contributed to the evolution of its complex nervous system. We recently found a similar expansion also in the genome of Octopus vulgaris . However a specific search for the existence of full-length transpositionally competent TEs has not been performed in this genus. Results Here we report the identification of LINE elements competent for retrotransposition in Octopus vulgaris and Octopus bimaculoides and show evidence suggesting that they might be active driving germline polymorphisms among individuals and somatic polymorphisms in the brain. Transcription and translation measured for one of these elements resulted in specific signals in neurons belonging to areas associated with behavioral plasticity. We also report the transcription of thousands of lncRNAs and the pervasive inclusion of TE fragments in the transcriptomes of both Octopus species, further testifying the crucial activity of TEs in the evolution of the octopus genomes. Conclusions The neural transcriptome of the octopus shows the transcription of thousands of putative lncRNAs and of a full lenght LINE element belonging to the RTE class. We speculate that a convergent evolutionary process involving retrotransposons activity in the brain has been important for the evolution of sophisticated cognitive abilities in this genus.

Abstract Dioecious plants possess diverse sex determination systems and unique mechanisms of reproductive organ development; however, little is known about how sex-linked genes shape the expression of regulatory cascades that lead to developmental differences between sexes. In Silene latifolia , a dioecious plant with stable dimorphism in floral traits, early experiments suggested that female-regulator genes act on the factors that determine the boundaries of the flower whorls. To identify these regulators, we sequenced the transcriptome of male flowers with fully developed gynoecia induced by rapid demethylation in the parental generation. As the hermaphrodite flower trait is holandric (transmitted only from male to male, inherited on the Y chromosome), we screened for genes that are differentially expressed between male, female, and hermaphrodite flowers. Dozens of candidate genes that are upregulated in hermaphrodite flowers compared to male and female flowers were detected and found to have putative roles in floral organization, affecting the expression of floral MADS-box and other genes. Amongst these genes, eight candidates were found to promote gynoecium formation in female and hermaphrodite flowers, affecting organ size, whorl boundary, and the expression of mainly B class flower genes. To complement our transcriptome analysis, we closely examined the floral organs in their native state using a field emission environmental scanning electron microscope. Our results reveal the principal regulatory pathways involved in sex-specific flower development in the classical model of dioecy, S. latifolia .

Abstract Anti-cancer therapies often exhibit only short-term effects. Tumors typically develop drug resistance causing relapses that might be tackled with drug combinations. Identification of the right combination is challenging and would benefit from high-content, high-throughput combinatorial screens directly on patient biopsies. However, such screens require a large amount of material, normally not available from patients. To address these challenges, we developed a scalable microfluidic workflow to screen hundreds of drug combinations in picoliter-size droplets using transcriptome changes as a readout for drug effects. We devised a deterministic combinatorial DNA barcoding approach to encode treatment conditions, enabling the gene expression-based readout of drug effects in a highly multiplexed fashion. We applied our method to screen the effect of 420 drug combinations on the transcriptome of K562 cells using only ∼250 single cell droplets per condition, to successfully predict synergistic and antagonistic drug pairs, as well as their pathway activities.