Brassinosteroids (BRs) are plant steroid hormones that regulate diverse processes such as cell division and cell elongation. BRs control thousands of genes through gene regulatory networks that vary in space and time. By using time-series single-cell RNA-sequencing to identify BR-responsive gene expression specific to different cell types and developmental stages of the Arabidopsis root, we uncovered the elongating cortex as a site where BRs trigger a shift from proliferation to elongation associated with increased expression of cell wall-related genes. Our analysis revealed HAT7 and GTL1 as BR-responsive transcription factors that regulate cortex cell elongation. These results establish the cortex as an important site for BR-mediated growth and unveil a BR signaling network regulating the transition from proliferation to elongation, illuminating new aspects of spatiotemporal hormone response.

Abstract Recently, major advances have enabled the exploration of cellular heterogeneity using single-cell proteomics. Here we examine the feasibility of single-cell proteomics on plant samples. We focus on Arabidopsis thaliana , examining isolated single cells from the cortex and endodermis, which are two adjacent root cell-types derived from a common stem cell. From 756 cells we identify 3,763 proteins and 1,118 proteins/cell. Ultimately, we focus on 3,217 proteins quantified following stringent filtering. Of these, we identified 596 proteins whose expression is enriched in either the cortex or endodermis and are able to differentiate these closely related plant cell-types. Collectivity, our findings underscore the promise of single-cell proteomics to explore the heterogeneity of expression between individual plant cells.

Abstract Pulmonary artery hypertension (PAH) is a chronic disease associated with enhanced proliferation of pulmonary artery smooth muscle cells (PASMCs) and dysfunctional mitochondria, which was with limited therapeutic options. It has been proved that cannabidiol (CBD) had antioxidant effects in many cardiovascular diseases, whereas the efficacy of CBD in PAH is unknown. To defined the effect of CBD in PAH, we explored the functions of CBD in both PASMCs proliferation test in vitro, and preventive and therapeutic PAH rodent models in vivo. The roles of CBD in mitochondria function and the oxidant stress were assessed in human PASMCs and PAH mice. We found that CBD significantly inhibited hyperproliferation of hypoxia-induced PASMCs, and intragastrically administered CBD could reverse the pathological changes in both Sugen-hypoxia and MCT-induced PAH mice models. Mechanical analysis demonstrated that CBD alleviated PAH by recovering mitochondrial energy metabolism, normalizing the hypoxia-induced oxidant stress, inhibiting abnormal glycolysis and lactate accumulation in cannabinoids receptors-independent manner. Thus, CBD could be a potential drug for PAH. Graphical Abstracts

Abstract Branching of root systems enables the exploration and colonization of the soil environment. In Arabidopsis roots, de novo organogenesis of lateral roots is patterned by an oscillatory mechanism called the root clock, which is dependent on metabolites derived from the β-carotene pathway 1, 2 . Retinoids are β-carotene-derived regulators of organogenesis in the animal kingdom. To determine if retinoids function in plant development, we conducted time-lapse imaging of a chemical reporter for retinoid binding proteins. We found that it oscillates with a comparable frequency to the root clock and accurately predicts sites of lateral root organogenesis. Exogenous application of retinal to wild-type plants is sufficient to induce root clock oscillations and lateral root organogenesis. A homology search yielded a potential Arabidopsis homolog, TEMPERATURE INDUCED LIPOCALIN (TIL) to vertebrate retinoid binding proteins. Genetic analysis indicates that TIL is necessary for normal lateral root development and a til mutant has decreased retinal sensitivity. TIL expression in a heterologous system conferred retinal binding activity, suggesting that it may directly interact with this molecule. Together, these results demonstrate an essential role for retinal and for plant retinal binding proteins in lateral root organogenesis.

Abstract Noise-induced hearing loss (NIHL) affects over ten million adults in the United States, and has no biological treatment. We hypothesized that activation of signaling from ERBB2 receptors in cochlear supporting cells could mitigate cochlear damage. We adopted a new timeline for assessing mitigation that parallels hearing recovery from damage in avians. We drove expression of a constitutively active variant of ERBB2 (CA-ERBB2) in cochlear supporting cells three days after permanent noise damage in young adult mice. Between 100-200 supporting cells in the apical cochlea expressed a lineage marker, indicating competence to express CA-ERBB2. Hearing thresholds were assessed with auditory brainstem response tests, and hearing recovery was assessed over a ninety-day period. Mice harboring CA-ERBB2 capability had similar hearing thresholds to control littermates prior to noise exposure, immediately after, and 30-days after. Sixty and ninety days after noise exposure, CA-ERBB2+ mice demonstrated a partial but significant reversal of NIHL threshold shifts at one in five frequencies tested, which was in the region of CA-ERBB2 expression. We evaluated inner and outer hair cell (IHC and OHC) survival, synaptic preservation, stereociliary morphology, and IHC cytoskeletal alterations with histological techniques. Improved IHC and OHC survival were observed in the basal cochlea. No differences were seen in synaptic numbers or IHC cytoskeletal alterations, but more stereocilia may have been preserved. These data indicate, for the first time, that ERBB2 signaling in supporting cells can promote hair cell survival and partial functional recovery, and that permanent threshold shifts from noise may be partially reversed in mice.

Abstract The prevalence of noise-induced hearing loss (NIHL) continues to increase, with limited therapies available for individuals with cochlear damage. We have previously established that the transcription factor FOXO3 is necessary to preserve outer hair cells (OHCs) and hearing thresholds up to two weeks following a mild noise exposure in mice. The mechanisms by which FOXO3 preserves cochlear cells and function are unknown. In this study, we analyzed the immediate effects of mild noise exposure on wild-type, Foxo3 heterozygous ( Foxo3 +/KO ), and Foxo3 knock-out ( Foxo3 KO/KO ) mice to better understand FOXO3’s role(s) in the mammalian cochlea. We used confocal and multiphoton microscopy to examine well-characterized components of noise-induced damage including calcium regulators, oxidative stress, necrosis, and caspase-dependent and -independent apoptosis. Lower immunoreactivity of the calcium buffer oncomodulin in Foxo3 KO/KO OHCs correlated with cell loss beginning 4 hours post-noise exposure. Using immunohistochemistry, we identified parthanatos as the cell death pathway for OHCs. Oxidative stress response pathways were not significantly altered in FOXO3’s absence. We used RNA sequencing to identify and RT-qPCR to confirm differentially expressed genes. We further investigated a gene downregulated in the unexposed Foxo3 KO/KO mice that may contribute to OHC noise susceptibility. Glycerophosphodiester Phosphodiesterase Domain Containing 3 (GDPD3), a possible endogenous source of lysophosphatidic acid (LPA), has not previously been described in the cochlea. As LPA reduces OHC loss after severe noise exposure, we treated noise exposed Foxo3 KO/KO mice with exogenous LPA. LPA treatment delayed immediate damage to OHCs but was insufficient to ultimately prevent their death or prevent hearing loss. These results suggest that FOXO3 acts prior to acoustic insult to maintain cochlear resilience, possibly through sustaining endogenous LPA levels.

ABSTRACT Hearing loss caused by the death of cochlear hair cells might be restored through regeneration from supporting cells via dedifferentiation and proliferation, as observed in birds. We recently found that in mice, activation of ERBB2 in supporting cells promoted the differentiation of hair cell-like cells. Here we analyze transcriptomes of neonatal mouse cochlear supporting cells with activated ERBB2 using single-cell RNA sequencing. ERBB2 induction in vivo generated a new population of cells expressing de novo SIBLING (small integrin-binding ligand n-linked glycoproteins) proteins and their regulators, particularly Secreted Phosphoprotein 1 ( SPP1 ). In other systems, SIBLINGs promote cell survival, proliferation, and differentiation. ERBB2 signaling induced after noise exposure in young adult mice also up-regulated both SPP1 protein and the SPP1 receptor CD44, and drove formation of proliferating stem-like cell aggregates in the organ of Corti. Our results suggest that ectopic activation of ERBB2 signaling in cochlear supporting cells alters the microenvironment, promoting proliferation and cell rearrangements. Together these results suggest a novel mechanism for inducing stem cell-like activity in the adult mammalian cochlea.

In Arabidopsis, lateral roots initiate along the primary root in a process preceded by periodic gene expression, a phenomenon known as the root clock. Many genes involved in lateral root initiation have been identified. However, very little is known about the structural changes underlying the initiation process nor about how root clock function is regulated. In genetic screens, we identified the vesicle trafficking regulators, GNOM and its suppressor, AGD3, as critical to root clock function. We show that GNOM is required for the proper distribution of pectin, a mediator of intercellular adhesion, and that pectin esterification state is essential for a functional root clock. We found that in sites of lateral root primordia emergence, both esterified and de-esterified pectin are differentially distributed. Using a reverse genetic approach, we identified significant enrichment of GO terms associated with pectin modifying enzymes in the oscillation zone were the root clock is established. In agreement with a recent study on the function of pectin in pavement cell morphogenesis, our results indicate that the balance between esterified and de-esterified pectin is essential for proper root clock function and the subsequent initiation of lateral root primordia.

Abstract Traditional Chinese medicine (TCM) databases play a vital role in bridging the gap between TCM and modern medicine, as well as in promoting the popularity of TCM. Elucidating the bioactive ingredients of Chinese medicinal materials is key to TCM modernization and new drug discovery. However, one drawback of current TCM databases is the lack of quantitative data on the constituents of Chinese medicinal materials. Herein, we present ccTCM, a web-based platform designed to provide a component and compound-content-based resource on TCM and analysis services for medical experts. In terms of design features, ccTCM combines resource distribution, similarity analysis, and molecular-mechanism analysis to accelerate the discovery of bioactive ingredients in TCM. ccTCM contains 273 Chinese medicinal materials commonly used in clinical settings, covering 29 functional classifications. By searching and comparing, we finally adopted 2043 studies, from which we collected the compounds contained in each TCM with content greater than 0.001%, and a total of 1 449 were extracted. Subsequently, we collected 40767 compound-target pairs by integrating multiple databases. Taken together, ccTCM is a versatile platform for that can be used by TCM scientists to perform scientific and clinical TCM studies based on quantified ingredients of Chinese medicinal materials. ccTCM is freely accessible at http://www.cctcm.org.cn .

Macrophages are subject to a wide range of cytokine and pathogen signals in vivo, which contribute to differential activation and modulation of inflammation. Understanding the response to multiple, often conflicting, cues that macrophages experience requires a network perspective. Here, we integrate data from literature curation and mRNA expression profiles to develop a large-scale computational model of the macrophage signaling network. In response to stimulation across all pairs of 9 cytokine inputs, the model predicted activation along the classic M1-M2 polarization axis but also a second axis of macrophage activation that distinguishes unstimulated macrophages from a mixed phenotype induced by conflicting cues. Along this second axis, combinations of conflicting stimuli, interleukin 4 (IL4) with lipopolysaccharide (LPS), interferon-γ (IFNγ), IFNβ, or tumor necrosis factor-α (TNFα), produced mutual inhibition of several signaling pathways, e.g. nuclear factor κB (NFκB) and signal transducer and activator of transcription 6 (STAT6), but also mutual activation of the phosphoinositide 3-kinases (PI3K) signaling module. In response to combined IFNγ and IL4, the model predicted genes whose expression was mutually inhibited, e.g. inducible nitric oxide synthase (iNOS) and arginase 1 (Arg1), or mutually enhanced, e.g. IL4 receptor-α (IL4Rα) and suppressor of cytokine signaling 1 (SOCS1), which was validated by independent experimental data. Knockdown simulations further predicted network mechanisms underlying functional crosstalk, such as mutual STAT3/STAT6-mediated enhancement of IL4Rα expression. In summary, the computational model predicts that network crosstalk mediates a broadened spectrum of macrophage activation in response to mixed pro- and anti-inflammatory cytokine cues, making it useful for modeling in vivo scenarios.