We study on the timing jitter characteristics of a passively mode-locked dual-wavelength dual-comb Er-fiber laser that generates two femtosecond optical frequency combs with an offset repetition rate in a shared cavity. The relative timing jitter is characterized directly in the time domain with tens of attoseconds precision by utilizing the intrinsic asynchronous optical sampling process between the two laser beams. This sensitive measurement reveals an amplified spontaneous emission (ASE) noise dominated random walk of the relative pulse timing, which has not been observed before in a dual-comb laser. The quantum-limited relative timing jitter behavior shows that the common-mode noise suppression based on a shared cavity does not apply to quantum noise. We further conduct a time-of-flight ranging experiment and a Fourier-transform spectroscopy simulation based on this dual-comb laser, showing that the quantum-limited relative timing jitter sets an ultimate limit on the reachable performance in time- and frequency-domain dual-comb applications particularly when the high acquisition rate is desired.

Abstract Dynamic restructuring of chromatin architecture has been implicated in cell-type specific gene regulatory programs; yet, how chromatin remodels during lineage specification remains to be elucidated. Through interrogating chromatin reorganization during human cardiomyocyte differentiation, we uncover dynamic chromatin interactions between genes and distal regulatory elements harboring noncoding variants associated with adult and congenital heart diseases. Unexpectedly, we also discover a new class of human pluripotent stem cell (PSC)-specific topologically associating domains (TAD) that are created by the actively transcribed endogenous retrotransposon HERV-H. Deletion or silencing of specific HERV-H elements eliminates corresponding TAD boundaries, while de novo insertion of HERV-H can introduce new chromatin domain boundaries in human PSCs. Furthermore, comparative analysis of chromatin architecture in other species that lack HERV-H sequences supports a role for actively transcribed HERV-H in demarcating human PSC-specific TADs. The biological role of HERV-H is further underscored by the observation that deletion of a specific HERV-H reduces transcription of genes upstream and facilitates cell differentiation. Overall, our results highlight a previously unrecognized role for retrotransposons in restructuring genome architecture in the human genome and delineate dynamic gene regulatory networks during cardiomyocyte development that inform how non-coding genetic variants contribute to human heart diseases.

The entorhinal cortex (EC) plays an essential role in age-related cognitive decline. However, the effect of functional connectivity (FC) changes between EC and other cerebral cortices on cognitive function remains unclear. The aim of this study was to explore the modulation of two interventions (cognitive training and aerobic exercise) on EC-FC in community-dwelling older adults. In total, 94 healthy older adults aged between 65 and 75 years were assigned to either the cognitive training or aerobic exercise group to receive 24 sessions over 12 weeks, or to a control group. Resting-state functional magnetic resonance imaging was performed at both baseline and 12-month follow-up. Compared to the cognitive training group, the aerobic exercise group showed greater EC-FC in the bilateral middle temporal gyrus, right supramarginal gyrus, left angular gyrus, and right postcentral gyrus. Compared to the control group, the cognitive training group had a decreased EC-FC in the right hippocampus, right middle temporal gyrus, left angular gyrus, and right postcentral gyrus and an increased EC-FC in the bilateral pallidum, while the aerobic exercise group showed increased EC-FC between the right medial prefrontal cortex(mPFC), bilateral pallidum, and right precuneus. Baseline EC-FC in the mPFC was positively correlated with the visuospatial/constructional index score of the Repeatable Battery for the Assessment of Neuropsychological Status. In the cognitive training group, EC-FC value changes in the right hippocampus were negatively correlated with changes in the RBANS delayed memory index score, while in the aerobic exercise group, EC-FC value changes in the left angular gyrus were positively correlated with changes in the RBANS attention index score. These findings support the hypothesis that both cognitive training and aerobic exercise can modulate EC-FC in aging populations but through different neural pathways.

Abstract Structural brain alterations found in Autism Spectrum Disorder (ASD) have previously been very heterogeneous, with overall limited effect sizes for every region implicated. In this study, we aimed at exploring the existence of subgroups in ASD, based on neuroanatomic profiles; we hypothesized that effect sizes of case/control difference would be increased in defined subgroups. Using the dataset from the ENIGMA-ASD Working Group (n=2661), exploratory factor analysis (EFA) was applied on seven subcortical volumes of individuals with ASD and controls to uncover the underlying organization of subcortical structures. Based on earlier findings in ADHD patients and controls as well as data availability, we focused on three age groups: boys (aged 4-14 years), male adolescents (aged 14-22 years), and adult men (aged >=22 years). The resulting factor scores were used in a community detection (CD) analysis, to cluster participants into subgroups. Three factors were found in each sample, with the factor structure in adult men differing from that in boys and male adolescents. From the patterns in these factors, CD uncovered four distinct communities in boys and three communities in adolescents and adult men, irrespective of ASD diagnostic status. The effect sizes of case/control comparisons appeared more pronounced than in the whole sample in some communities. Based on subcortical volumes, we succeeded in stratifying our participants into more homogeneous subgroups with similar brain structural patterns. The stratification enhanced our ability to observe case/control differences of subcortical brain volumes in ASD, and may help explain some of the heterogeneity of previous findings in ASD.

The large yellow croaker Larimichthys crocea (L. crocea) is one of the most economically important marine fish in China and East Asian countries. It also exhibits peculiar behavioral and physiological characteristics, especially sensitive to various environmental stresses, such as hypoxia and air exposure. These traits may render L. crocea a good model for investigating the response mechanisms to environmental stress. To understand the molecular and genetic mechanisms underlying the adaptation and response of L. crocea to environmental stress, we sequenced and assembled the genome of L. crocea using a bacterial artificial chromosome and whole-genome shotgun hierarchical strategy. The final genome assembly was 679 Mb, with a contig N50 of 63.11 kb and a scaffold N50 of 1.03 Mb, containing 25,401 protein-coding genes. Gene families underlying adaptive behaviours, such as vision-related crystallins, olfactory receptors, and auditory sense-related genes, were significantly expanded in the genome of L. crocea relative to those of other vertebrates. Transcriptome analyses of the hypoxia-exposed L. crocea brain revealed new aspects of neuro-endocrine-immune/metabolism regulatory networks that may help the fish to avoid cerebral inflammatory injury and maintain energy balance under hypoxia. Proteomics data demonstrate that skin mucus of the air-exposed L. crocea had a complex composition, with an unexpectedly high number of proteins (3,209), suggesting its multiple protective mechanisms involved in antioxidant functions, oxygen transport, immune defence, and osmotic and ionic regulation. Our results provide novel insights into the mechanisms of fish adaptation and response to hypoxia and air exposure.

ABSTRACT While N 6 -methyldeoxyadenine (6mA) modification has been linked to fundamental regulatory processes in prokaryotes, its prevalence and functional implications in eukaryotes are controversial. Here, we report 6mA-Sniper to quantify 6mA sites in eukaryotes at single-nucleotide resolution. With 6mA-Sniper, we delineated an accurate 6mA profile in C. elegans with 2,034 sites, significantly enriched on sequences of [GC]G A G motif. Twenty-six of 39 6mA events with MnlI restriction endonuclease sites were experimentally verified, demonstrating the feasibility of this method. Notably, the enrichment of these 6mA sites on a specific sequence motif, their within-population conservation and the combinatorial patterns, and the selective constrains on them jointly support an active model for the shaping of the profile by some undiscovered methyltransferases. In a joint study ( Cell Research , in revision), Ma et al. reported METL-9 as a new methyltransferase in shaping the basal and stress-dependent 6mA profile in C. elegans . Notably, with the 6mA profile identified by 6mA-Sniper at single-nucleotide resolution, we found that the levels of 6mAs are significantly decreased in strains with the removal of METL-9 (METL-9 KO-OP50), while generally increased after P. aeruginosa infection, further verified the efficiency of 6mA-Sniper in accurately pinpointing 6mA sites. Moreover, for the regions marked by 998 6mA sites emerged specifically after the infection, we identified an enrichment of the upregulated genes after the infection. The gene upregulations are likely mediated through a mutual exclusive crosstalk between 6mA and H3K27me3 modification, as supported by their co-occurrence, and the signal of increased H3K27me3 at regions marked by 6mAs depleted in METL-9 KO-OP50 strains. Notably, in different C. elegans strains, the cross-strain genetic variants removing 6mA sites are associated with the decreased expression of their host genes, and the removal of two randomly-selected 6mA events with genome editing directly decreased the expression of their host genes. We thus highlight 6mA regulation as a previously-neglected regulator of transcriptome in eukaryotes.

Abstract The compartmentalized and communicative nature of biological cells contributes to the complexity and endurance of living organisms. Current in vitro compartmentalization systems such as droplet emulsions reproduce the compartmentalization property of cells yet fail to recapture the configurability of cellular communication with the environment. To mimic biological cells a step further and expand the capabilities of in vitro compartmentalization, we present here a general strategy that inherits the passive transport phenomenon of biology. The strategy incorporates layered, micrometer-sized, hydrogel-based compartments featuring configurability in composition, functionality, and selective permeability of biomolecules. We demonstrated the unique advantage of our strategy in two scenarios of synthetic biology. First, a compartmentalized cell-free protein synthesis system was reconstituted that could support multiple rounds of reactions. Second, we constructed living bacteria-based biosensors in the hydrogel compartments, which could achieve long-lasting functioning with markedly enhanced fitness in complex environments. Looking forward, our strategy should be widely applicable for constructing complex, robust, and sustained in vitro synthetic molecular and cellular systems, paving the way for their practical applications.

Artificial Intelligence (AI) techniques have made great advances in assisting antibody design. However, antibody design still heavily relies on isolating antigen-specific antibodies from serum, which is a resource-intensive and time-consuming process. To address this issue, we propose a Pre-trained Antibody generative large Language Model (PALM) for the de novo generation of artificial antibodies heavy chain complementarity-determining region 3 (CDRH3) with desired antigen-binding specificity, reducing the reliance on natural antibodies. We also build a high-precision model antigen-antibody binder (A2binder) that pairs antigen epitope sequences with antibody sequences to predict binding specificity and affinity. PALM-generated antibodies exhibit binding ability to SARS-CoV-2 antigens, including the emerging XBB variant, as confirmed through in-silico analysis and in-vitro assays. The in-vitro assays validated that PALM-generated antibodies achieve high binding affinity and potent neutralization capability against both wild-type and XBB spike proteins of SARS-CoV-2. Meanwhile, A2binder demonstrated exceptional predictive performance on binding specificity for various epitopes and variants. Furthermore, by incorporating the attention mechanism into the PALM model, we have improved its interpretability, providing crucial insights into the fundamental principles of antibody design.

CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) technology has been widely used for genome engineering in a wide range of organisms1, but much of the development of CRISPR-based genome editing has been aimed toward improving its efficiency and accuracy, so as to obtain genetic materials carrying known and stably heritable genome modifications. Precise spatiotemporal control over genome editing technology at cell type resolution is a key challenge for gene function studies. Some tissue-specific CRISPR genome editing methods relying on phenotypic characterization and fluorescent immune-staining techniques have been developed for biomedical research and gene therapy, they function by spatially controlling expression of Cas9 2. Recent work establishes the presence and location of mutational events at a single cell level in Arabidopsis roots and stomata3,4. Here we present an efficient domain-specific CRISPR-Cas9 system combined with a high resolution live-imaging based screening strategy, applied in the shoot apical meristem of Arabidopsis thaliana. Using the system we investigate PIN-FORMED1 (PIN1) protein functions in tissue morphogenesis and PIN1 mechanical stress response in a cell layer-specific fashion. We find that reported failure to generate new primordia in epidermal PIN1 knockout SAMs is due to a reduction in mechanical stress differences in the sub-epidermal layer. The methods described are applicable to spatial-temporal gene manipulation in plants.

Abstract Translational research in toxicology is essential for understanding how molecular alterations manifest across various biological systems to, for example, decrease reliance on animal models and extrapolation from animals to humans. Toxicogenomics (TGx) significantly contributes to assessing chemical and drug toxicity by providing insights into underlying toxicity mechanisms and developing gene expression-based biomarkers for toxicant classification. Despite the recognized need for a multi-organ approach in evaluating organism-level toxicity, most TGx research has been focused on a limited number of organs, primarily the liver, due to resource-intensive experiments. This paper is the first effort to utilize Generative Adversarial Network (GAN) for bidirectional translation of transcriptomic profiles between organs under chemical treatment. In this study, we developed a novel GAN model, TransTox, to bridge transcriptomic data between the liver and kidney. This model demonstrated robust performance in various evaluations, including external validation on independent datasets from both the training set’s source labs and a different lab. The study investigated the concordance between the real data and synthetic data generated by TransTox in elucidating toxicity mechanisms with respect to differential expressed genes (DEGs) and enriched pathways analyses. It showed comparable results in comparison to that obtained from real experimental settings. Moreover, TransTox proved valuable in biomarker applications, where synthetic data could be used to develop valid biomarkers or serve as “digital twins” for diagnostic applications. TransTox holds the potential to extend insights into toxicological effects in other organs by leveraging historical liver-centric TGx experiments, thereby opening avenues for reducing reliance on animal testing in organ toxicity research.