We describe a DNA sequencing technology in which a commonly available, inexpensive epifluorescence microscope is converted to rapid nonelectrophoretic DNA sequencing automation. We apply this technology to resequence an evolved strain of Escherichia coli at less than one error per million consensus bases. A cell-free, mate-paired library provided single DNA molecules that were amplified in parallel to 1-micrometer beads by emulsion polymerase chain reaction. Millions of beads were immobilized in a polyacrylamide gel and subjected to automated cycles of sequencing by ligation and four-color imaging. Cost per base was roughly one-ninth as much as that of conventional sequencing. Our protocols were implemented with off-the-shelf instrumentation and reagents.

The human gut microbiota is a metabolic organ whose cellular composition is determined by a dynamic process of selection and competition. To identify microbial genes required for establishment of human symbionts in the gut, we developed an approach (insertion sequencing, or INSeq) based on a mutagenic transposon that allows capture of adjacent chromosomal DNA to define its genomic location. We used massively parallel sequencing to monitor the relative abundance of tens of thousands of transposon mutants of a saccharolytic human gut bacterium, Bacteroides thetaiotaomicron, as they established themselves in wild-type and immunodeficient gnotobiotic mice, in the presence or absence of other human gut commensals. In vivo selection transforms this population, revealing functions necessary for survival in the gut: we show how this selection is influenced by community composition and competition for nutrients (vitamin B12). INSeq provides a broadly applicable platform to explore microbial adaptation to the gut and other ecosystems.

Pathogenic mutations in APP, PSEN1, PSEN2, MAPT and GRN have previously been linked to familial early onset forms of dementia. Mutation screening in these genes has been performed in either very small series or in single families with late onset AD (LOAD). Similarly, studies in single families have reported mutations in MAPT and GRN associated with clinical AD but no systematic screen of a large dataset has been performed to determine how frequently this occurs. We report sequence data for 439 probands from late-onset AD families with a history of four or more affected individuals. Sixty sequenced individuals (13.7%) carried a novel or pathogenic mutation. Eight pathogenic variants, (one each in APP and MAPT, two in PSEN1 and four in GRN) three of which are novel, were found in 14 samples. Thirteen additional variants, present in 23 families, did not segregate with disease, but the frequency of these variants is higher in AD cases than controls, indicating that these variants may also modify risk for disease. The frequency of rare variants in these genes in this series is significantly higher than in the 1,000 genome project (p = 5.09 × 10⁻⁵; OR = 2.21; 95%CI = 1.49-3.28) or an unselected population of 12,481 samples (p = 6.82 × 10⁻⁵; OR = 2.19; 95%CI = 1.347-3.26). Rare coding variants in APP, PSEN1 and PSEN2, increase risk for or cause late onset AD. The presence of variants in these genes in LOAD and early-onset AD demonstrates that factors other than the mutation can impact the age at onset and penetrance of at least some variants associated with AD. MAPT and GRN mutations can be found in clinical series of AD most likely due to misdiagnosis. This study clearly demonstrates that rare variants in these genes could explain an important proportion of genetic heritability of AD, which is not detected by GWAS.

Abstract Background Rapid, reliable, and widespread testing is required to curtail the ongoing COVID-19 pandemic. Current gold-standard nucleic acid tests are hampered by supply shortages in critical reagents including nasal swabs, RNA extraction kits, personal protective equipment, instrumentation, and labor. Methods To overcome these challenges, we developed a rapid colorimetric assay using reverse-transcription loop-mediated isothermal amplification (RT-LAMP) optimized on human saliva samples without an RNA purification step. We describe the optimization of saliva pretreatment protocols to enable analytically sensitive viral detection by RT-LAMP. We optimized the RT-LAMP reaction conditions and implemented high-throughput unbiased methods for assay interpretation. We tested whether saliva pretreatment could also enable viral detection by conventional reverse-transcription quantitative polymerase chain reaction (RT-qPCR). Finally, we validated these assays on clinical samples. Results The optimized saliva pretreatment protocol enabled analytically sensitive extraction-free detection of SARS-CoV-2 from saliva by colorimetric RT-LAMP or RT-qPCR. In simulated samples, the optimized RT-LAMP assay had a limit of detection of 59 (95% confidence interval: 44–104) particle copies per reaction. We highlighted the flexibility of LAMP assay implementation using 3 readouts: naked-eye colorimetry, spectrophotometry, and real-time fluorescence. In a set of 30 clinical saliva samples, colorimetric RT-LAMP and RT-qPCR assays performed directly on pretreated saliva samples without RNA extraction had accuracies greater than 90%. Conclusions Rapid and extraction-free detection of SARS-CoV-2 from saliva by colorimetric RT-LAMP is a simple, sensitive, and cost-effective approach with broad potential to expand diagnostic testing for the virus causing COVID-19.

The dimorphic switch from a single-cell budding yeast to a filamentous form enables Saccharomyces cerevisiae to forage for nutrients and the opportunistic pathogen Candida albicans to invade human tissues and evade the immune system. We constructed a genome-wide set of targeted deletion alleles and introduced them into a filamentous S. cerevisiae strain, Σ1278b. We identified genes involved in morphologically distinct forms of filamentation: haploid invasive growth, biofilm formation, and diploid pseudohyphal growth. Unique genes appear to underlie each program, but we also found core genes with general roles in filamentous growth, including MFG1 (YDL233w), whose product binds two morphogenetic transcription factors, Flo8 and Mss11, and functions as a critical transcriptional regulator of filamentous growth in both S. cerevisiae and C. albicans.

Objective To define the genetic landscape of amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and assess the contribution of possible oligogenic inheritance, we aimed to comprehensively sequence 17 known ALS genes in 391 ALS patients from the United States. Methods Targeted pooled‐sample sequencing was used to identify variants in 17 ALS genes. Fragment size analysis was used to define ATXN2 and C9ORF72 expansion sizes. Genotype–phenotype correlations were made with individual variants and total burden of variants. Rare variant associations for risk of ALS were investigated at both the single variant and gene level. Results A total of 64.3% of familial and 27.8% of sporadic subjects carried potentially pathogenic novel or rare coding variants identified by sequencing or an expanded repeat in C9ORF72 or ATXN2 ; 3.8% of subjects had variants in >1 ALS gene, and these individuals had disease onset 10 years earlier ( p = 0.0046) than subjects with variants in a single gene. The number of potentially pathogenic coding variants did not influence disease duration or site of onset. Interpretation Rare and potentially pathogenic variants in known ALS genes are present in >25% of apparently sporadic and 64% of familial patients, significantly higher than previous reports using less comprehensive sequencing approaches. A significant number of subjects carried variants in >1 gene, which influenced the age of symptom onset and supports oligogenic inheritance as relevant to disease pathogenesis. ANN NEUROL 2015;77:100–113

Abstract In situ measurements of transcription factor (TF) binding are confounded by cellular heterogeneity and represent averaged profiles in complex tissues. Single cell RNA-seq (scRNA-seq) is capable of resolving different cell types based on gene expression profiles, but no technology exists to directly link specific cell types to the binding pattern of TFs in those cell types. Here, we present self-reporting transposons (SRTs) and their use in single cell calling cards (scCC), a novel assay for simultaneously capturing gene expression profiles and mapping TF binding sites in single cells. First, we show how the genomic locations of SRTs can be recovered from mRNA. Next, we demonstrate that SRTs deposited by the piggyBac transposase can be used to map the genome-wide localization of the TFs SP1, through a direct fusion of the two proteins, and BRD4, through its native affinity for piggyBac . We then present the scCC method, which maps SRTs from scRNA-seq libraries, thus enabling concomitant identification of cell types and TF binding sites in those same cells. As a proof-of-concept, we show recovery of cell type-specific BRD4 and SP1 binding sites from cultured cells. Finally, we map Brd4 binding sites in the mouse cortex at single cell resolution, thus establishing a new technique for studying TF biology in situ.

Abstract Mutations reducing the function of MYT1L, a neuron-specific transcription factor, are associated with a syndromic neurodevelopmental disorder. MYT1L is used as a pro-neural factor in fibroblast-to-neuron transdifferentiation and is hypothesized to influence neuronal specification and maturation, but it is not clear which neuron types are most impacted by MYT1L loss. In this study, we profile 412,132 nuclei from the forebrains of wild-type and MYT1L-deficient mice at three developmental stages: E14 at the peak of neurogenesis, P1 when cortical neurons have been born, and P21 when neurons are maturing, to examine the role of MYT1L levels on neuronal development. MYT1L deficiency disrupts cortical neuron proportions and gene expression, primarily affecting neuronal maturation programs. Effects are mostly cell autonomous and persistent through development. While MYT1L can both activate and repress gene expression, the repressive effects are most sensitive to haploinsufficiency, likely mediating MYT1L syndrome. These findings illuminate MYT1L’s role in orchestrating gene expression during neuronal development, providing insights into the molecular underpinnings of MYT1L syndrome.

Abstract Summary Transposon calling cards is a genomic assay for identifying transcription factor binding sites in both bulk and single cell experiments. Here we describe the qBED format, an open, text-based standard for encoding and analyzing calling card data. In parallel, we introduce the qBED track on the WashU Epigenome Browser, a novel visualization that enables researchers to inspect calling card data in their genomic context. Finally, through examples, we demonstrate that qBED files can be used to visualize non-calling card datasets, such as CADD scores and GWAS/eQTL hits, and may have broad utility to the genomics community. Availability and Implementation The qBED track is available on the WashU Epigenome Browser ( http://epigenomegateway.wustl.edu/browser ), beginning with version 46. Source code for the WashU Epigenome Browser with qBED support is available on GitHub ( http://github.com/arnavm/eg-react and http://github.com/lidaof/eg-react ). We have also released a tutorial on how to upload qBED data to the browser ( dx.doi.org/10.17504/protocols.io.bca8ishw ).