Understanding pathways controlling cardiac development may offer insights that are useful for stem cell-based cardiac repair. Developmental studies indicate that the Wnt/β-catenin pathway negatively regulates cardiac differentiation, whereas studies with pluripotent embryonal carcinoma cells suggest that this pathway promotes cardiogenesis. This apparent contradiction led us to hypothesize that Wnt/β-catenin signaling acts biphasically, either promoting or inhibiting cardiogenesis depending on timing. We used inducible promoters to activate or repress Wnt/β-catenin signaling in zebrafish embryos at different times of development. We found that Wnt/β-catenin signaling before gastrulation promotes cardiac differentiation, whereas signaling during gastrulation inhibits heart formation. Early treatment of differentiating mouse embryonic stem (ES) cells with Wnt-3A stimulates mesoderm induction, activates a feedback loop that subsequently represses the Wnt pathway, and increases cardiac differentiation. Conversely, late activation of β-catenin signaling reduces cardiac differentiation in ES cells. Finally, constitutive overexpression of the β-catenin-independent ligand Wnt-11 increases cardiogenesis in differentiating mouse ES cells. Thus, Wnt/β-catenin signaling promotes cardiac differentiation at early developmental stages and inhibits it later. Control of this pathway may promote derivation of cardiomyocytes for basic research and cell therapy applications.

Abstract Background Severe coronavirus disease 2019 (COVID-19) can manifest in rapid decompensation and respiratory failure with elevated inflammatory markers, consistent with cytokine release syndrome for which IL-6 blockade is an approved treatment. Methods We assessed effectiveness and safety of IL-6 blockade with tocilizumab in a single-center cohort of patients with COVID-19 requiring mechanical ventilation. The primary endpoint was survival probability postintubation; secondary analyses included an ordinal illness severity scale integrating superinfections. Outcomes in patients who received tocilizumab compared with tocilizumab-untreated controls were evaluated using multivariable Cox regression with propensity score inverse probability of treatment weighting (IPTW). Results 154 patients were included, of whom 78 received tocilizumab and 76 did not. Median follow-up was 47 days (range, 28–67). Baseline characteristics were similar between groups, although tocilizumab-treated patients were younger (mean: 55 vs 60 years), less likely to have chronic pulmonary disease (10% vs 28%), and had lower D-dimer values at time of intubation (median: 2.4 vs 6.5 mg/dL). In IPTW-adjusted models, tocilizumab was associated with a 45% reduction in hazard of death (HR, .55; 95% CI, .33–.90) and improved status on the ordinal outcome scale [OR per 1-level increase, .58; .36–.94). Although tocilizumab was associated with an increased proportion of patients with superinfections (54% vs 26%; P < .001), there was no difference in 28-day case fatality rate among tocilizumab-treated patients with versus without superinfection (22% vs 15%; P = .42). Staphylococcus aureus accounted for ~50% of bacterial pneumonia. Conclusions In this cohort of mechanically ventilated COVID-19 patients, tocilizumab was associated with lower mortality despite higher superinfection occurrence.

Abstract Microbiome science is difficult to translate back to patients due to an inability to harmonize 16S rRNA gene-based microbiome data, as differences in the technique will result in different amplicon sequence variants (ASV) from the same microbe. Here we demonstrate that placement of ASV onto a common phylogenetic tree of full-length 16S rRNA alleles can harmonize microbiome studies. Using in silico data approximating 100 healthy human stool microbiomes we demonstrated that phylogenetic placement of ASV can recapitulate the true relationships between communities as compared closed-OTU based approaches (Spearman R 0.8 vs 0.2). Using real data from thousands of human gut and vaginal microbiota, we demonstrate phylogenetic placement, but not closed OTUs, were able to group communities by origin (stool vs vaginal) without being confounded by technique and integrate new data into existing ordination/clustering models for precision medicine. This enables meta-analysis of microbiome studies and the microbiome as a biomarker.

Abstract In germ-free animals the lack of microbes within the gut results in a propensity to mucosal inflammation among other immune deficits. This suggests microbes are essential for the healthy function of the human gut, but we have lacked a reproducible mechanistic model of interactions between human colonic epithelium and the anaerobic microbes within the gut. To establish the physiological effect of a common anaerobe in the human gut, we co-cultured a probiotic strain of Bifidobacterium longum (35624) with organoid-derived adult human colonic epithelium in asymmetric gas conditions (anoxic apically, 5% oxygen basolaterally) and compared to axenic (‘germ-free’) epithelium. Bacteria proliferated and retained their normal cellular morphology in the presence of the human colonic epithelium. The human colonic mucosa retained trans-epithelial electrical resistance (TEER) consistent with an intact epithelium but lower than in axenic conditions. Changes in TEER corresponded to changes in Claudin-family gene expression. Inflammation was repressed in co-culture as compared to axenic, with reduced expression of executor and pyroptosis caspases; reduced expression of activators and increased expression of inhibitors of NFKB ; reduced expression of toll-like-receptors ( TLR s) and increased expression of TOLLIP (a negative regulator of TLRs). Consistent with the presence of actively fermenting bacteria that produce lactate and acetate but do not produce butyrate, PPARA expression was increased while PPARG expression was reduced. As in germ-free animal experiments, axenic human colonic mucosa is poised for inflammation. Co-culture with Bifidobacterium longum resolved the pro-inflammatory state while modulating barrier function (via Claudin genes) and cellular energetics (via PPARA and PPARG genes). Importance Experiments in animals demonstrate the importance of microbes with the gut for the health of the gut. Many of the microbes within the healthy gut are strictly anaerobic and cannot grow in the presence of oxygen; human tissues require some oxygen to live. Here we observe the effect of growing an anaerobic bacterium - Bifidobacterium longum - typically found in the human gut with human colonic tissue. We observed that the human tissue responded favorably to being cultivated with the microbe as compared to being alone. This experiment confirms human colonic tissues reduce their inflammation in the presence of a bacteria typically found in the gut.

Abstract Acute gastroenteritis (AGE) has a significant disease burden on society. Noroviruses, rotaviruses and astroviruses are important viral causes of AGE but are relatively understudied enteric pathogens. Recent developments in novel biomimetic human models of enteric disease are opening new possibilities for studying human-specific hostmicrobe interactions. Human intestinal enteroids (HIE), which are epithelium-only intestinal organoids derived from stem cells isolated from human intestinal biopsy tissues, have been successfully used to culture representative norovirus, rotavirus and astrovirus strains. Previous studies investigated host-virus interactions at the intestinal epithelial interface by individually profiling the epithelial transcriptional response to a member of each virus family by RNA sequencing (RNA-seq). We used these publicly available datasets to uniformly analyze these data and identify shared and unique transcriptional changes in the human intestinal epithelium upon human enteric virus infections.

Abstract Pathobionts employ unique metabolic adaptation mechanisms to maximize their growth in disease conditions. Adherent–invasive Escherichia coli (AIEC), a pathobiont enriched in the gut mucosa of patients with inflammatory bowel disease (IBD), utilizes diet-derived L-serine to adapt to the inflamed gut. Therefore, the restriction of dietary L-serine starves AIEC and limits its fitness advantage. Here, we find that AIEC can overcome this nutrient limitation by switching the nutrient source from the diet to the host cells in the presence of mucolytic bacteria. During diet-derived L-serine restriction, the mucolytic symbiont Akkermansia muciniphila promotes the encroachment of AIEC to the epithelial niche by degrading the mucus layer. In the epithelial niche, AIEC acquires L-serine from the colonic epithelium and thus proliferates. Our work suggests that the indirect metabolic network between pathobionts and commensal symbionts enables pathobionts to overcome nutritional restriction and thrive in the gut.

ABSTRACT Background and Aims Inflammation can generate pathogenic T h 17 cells and cause a inflammatory dysbiosis. In the context of Inflammatory Bowel Disease (IBD) these inflammatory T h 17 cells and dysbiotic microbiota may perpetuate injury to intestinal epithelial cells (IECs). However, many models of IBD like T-cell transfer colitis and IL-10 -/- mice rely on the absence of regulatory pathways, so it is difficult to tell if inflammationcan also induce protective T h 17 cells. Methods We subjected C57BL6, RAG1 -/- or J H -/- mice to systemic or gastrointestinal (GI) Citrobacter rodentium ( Cr ). Mice were then subject to 2.5% dextran sodium sulfate to cause epithelial injury. Fecal microbiota transfer was performed by bedding transfer and co-housing. Flow cytometry, qPCR, 16s sequencing and histology were used to assess parameters. Results Transient inflammation with GI but not systemic Cr was protective from subsequent intestinal injury. This was replicated with sequential DSS collectively indicating that transient inflammation provides tissue-specific protection. Inflammatory T h 17 cells that have a tissue resident memory signature expanded in the intestine. Experiments with reconstituted RAG1 -/- , J H -/- mice and cell trafficking inhibitors showed that inflammation induced T h 17 cells were required for protection. Fecal microbiota transfer showed that the inflammation-trained microbiota was necessary for protection, likely by maintaining protective T h 17 cells in situ . Conclusion Inflammation can generate protective T h 17 cells which synergize with the inflammation-trained microbiota to provide host resiliency against subsequent injury, indicating that inflammation induced T h 17 tissue resident memory T cells are heterogenous and contain protective subsets.

Acarbose is a type-2 diabetes medicine that inhibits dietary starch breakdown into glucose by inhibiting host amylase and glucosidase enzymes. Numerous gut species in the

ABSTRACT Ulcerative Colitis (UC) is a chronic gastrointestinal condition with high morbidity. While modern medical therapies have revolutionized the care of UC, 10-25% of patients fail medications and still progress to surgery. Thus, developing new treatments is a core problem in UC. T-cells, especially T h 17 cells, are strongly linked with UC and are major targets of medications in UC. Tissue-resident memory T-cells (T RM ) are a distinct class of T-cells that are highly enriched in the intestine, closely aligned with the microbiota, and are implicated in the pathogenesis of UC. Unlike circulating T-cells, T RM are difficult to target because they do not recirculate. Thus, we focused on cytokines like IL-15 which act as a tissue danger signal and regulate T-cells in situ . We found that the IL15 axis is upregulated in UC and predicts treatment response. IL-15 was redundant for T h 17 differentiation but could activate terminally differentiated T h 17 cells to promote intestinal inflammation. Finally, in CD4 + T RM from patients with UC, IL-15 upregulated RORC , the master transcription factor for T h 17 cells, via a Janus Kinase (JAK)1 pathway. Thus, IL-15 promotes terminally differentiated inflammatory T h 17 cells in the intestine raising the possibility that IL-15 may be a target for UC treatments.

ABSTRACT Acarbose is a type 2 diabetes medicine that prevents dietary starch breakdown into glucose by inhibiting host amylase and glucosidase enzymes. Numerous gut species in the Bacteroides genus enzymatically break down starch and change in relative abundance within the gut microbiome in acarbose-treated individuals. To mechanistically explain this observation, we used two model starch-degrading Bacteroides , Bacteroides ovatus (Bo), and Bacteroides thetaiotaomicron (Bt). Bt growth on starch polysaccharides is severely impaired by acarbose, whereas Bo growth is much less affected by the drug. The Bacteroides use a starch utilization system (Sus) to grow on starch. We hypothesized that Bo and Bt Sus enzymes are differentially inhibited by acarbose. Instead, we discovered that although acarbose primarily targets the Sus periplasmic GH97 enzymes in both organisms, the drug affects starch processing at multiple other points. Acarbose competes for transport through the TonB-dependent SusC proteins and binds to the Sus transcriptional regulators. Furthermore, Bo expresses a non-Sus GH97 (BoGH97D) when grown in starch with acarbose. The Bt homolog, BtGH97H, is not expressed in the same conditions, nor can overexpression of BoGH97D complement the Bt growth inhibition in the presence of acarbose. This work informs us about unexpected complexities of Sus function and regulation in Bacteroides , including variation between related species. Furthermore, this indicates that the gut microbiome may be a source of variable response to acarbose treatment for diabetes. IMPORTANCE Acarbose is a type 2 diabetes medication that works primarily by stopping starch breakdown into glucose in the small intestine. This is accomplished by the inhibition of host enzymes, leading to better blood sugar control via reduced ability to derive glucose from dietary starches. The drug and undigested starch travel to the large intestine where acarbose interferes with the ability of some bacteria to grow on starch. However, little is known about how gut bacteria interact with acarbose, including microbes that can use starch as a carbon source. Here, we show that two gut species, Bacteroides ovatus (Bo) and Bacteroides thetaiotaomicron (Bt), respond differently to acarbose: Bt growth is inhibited by acarbose, while Bo growth is less affected. We reveal a complex set of mechanisms involving differences in starch import and sensing behind the different Bo and Bt responses. This indicates the gut microbiome may be a source of variable response to acarbose treatment for diabetes via complex mechanisms in common gut microbes.