Abstract More than a decade of gut microbiome studies have a common goal for human health. As most of the disease studies sample the elderly or the middle-aged, a reference cohort for young individuals has been lacking. It is also not clear what other omics data need to be measured to better understand the gut microbiome. Here we present high-depth metagenomic shotgun sequencing data for the fecal microbiome together with other omics data in a cohort of 2,183 adults, and observe a number of vitamins, hormones, amino acids and trace elements to correlate with the gut microbiome and cluster with T cell receptors. Associations with physical fitness, sleeping habits and dairy consumption are identified in this large multi-omic cohort. Many of the associations are validated in an additional cohort of 1,404 individuals. Our comprehensive data are poised to advise future study designs to better understand and manage our gut microbiome both in population and in mechanistic investigations.

Abstract Soybean seeds are one of the best sources of plant-based high-quality proteins and oils. The contents of these metabolites are affected by both environmental and genetic factors. In this study, 49 soybean germplasms were cultivated in Korea, the contents of total protein, total oil and five fatty acids were determined, and the influences of seed coat color and seed weight on each were assessed. The total protein and total oil contents were evaluated using Kjeldahl and Soxhlet methods and were in the ranges of 36.28-44.19% and 13.45-19.20%, respectively. Moreover, the contents of individual fatty acids were determined as area percentage from acquired gas-chromatography peaks. The contents of palmitic, stearic, oleic, linoleic and linolenic acids were in the ranges of 9.90-12.55, 2.45-4.00, 14.97-38.74, 43.22-60.26, and 5.37-12.33%, respectively and each significantly varied between the soybean germplasms. Unlike total oil and fatty acid contents, total protein content was not significantly affected by both seed coat color and seed weight. Cluster analysis grouped the soybeans into two classes with notable content differences. Fatty acids were the main factors for the variabilities seen between the soybean germplasms as observed in the principal component analysis. Correlation analysis revealed a significant but negative association between total oil and total protein contents ( r = -0.714, p < 0.0001). Besides, a trade-off relationship was observed between oleic acid and linoleic acid ( r = -0.936, p < 0.0001) which was reflected with respect to both seed coat color and seed weight. Among all colored soybeans, pale-yellow soybeans had the highest and the lowest levels of oleic acid and linoleic acid, respectively each being significantly different from the rest of colored soybeans ( p < 0.05). Likewise, oleic acid content increased with seed weight while that of linoleic acid decreased with seed weight ( p < 0.05). In general, this study showed the significance of seed coat color and seed weight to discriminate soybean genotypes, mainly in terms of their fatty acid contents. Moreover, the soybean germplasms with distinct characters and fatty acid contents identified in this study could be important genetic resources for cultivar development.

Summary Grain size is determined by the number of cells and cell size of the grain. Regulation of grain size is crucial for improving crop yield. However, the genes and underlying molecular mechanisms controlling grain size remain elusive. Here we report a member of Detoxification efflux carrier (DTX)/Multidrug and Toxic Compound Extrusion (MATE) family transporter, BI G R ICE G RAIN 1 (BIRG1), negatively regulates the grain size in rice. BIRG1 is highly expressed in reproductive organs and roots. In birg1 grain, the size of the outer parenchyma layer cells of spikelet hulls is noticeably larger but the cell number is not altered compared with that in the wild-type (WT) grain. When expressed in Xenopus oocytes, BIRG1 exhibits chloride efflux activity. In line with the role of BIRG1 in mediating chloride efflux, the birg1 mutant shows reduced tolerance to salt stress under which the chloride level is toxic. Moreover, the birg1 grains contain higher level of chloride compared to WT grains when grown under normal paddy field. The birg1 roots accumulate more chloride than those of WT under saline condition. Collectively, our findings suggest that BIRG1 functions as a chloride efflux transporter regulating grain size and salt tolerance via controlling chloride homeostasis in rice.

Systemic lupus erythematosus (SLE), characterized by chronic inflammation and multi-organ damage, has been suggested to associate with gut dysbiosis, but knowledge is limited from small sample size and 16s rRNA-based studies. To shed new light on the role of microbiota in SLE development, we analyzed the fecal metagenome of 117 treatment-naive SLE patients and 115 sex- and age-matched healthy controls (HC) by deep-sequencing; in addition, 52 of the aforementioned patients have post-treatment fecal metagenome for comparison. We found significant differences in microbial composition and function between SLE and HC, revealing multiple plausible contributing bacterial species and metabolic pathways in SLE. In-depth SNP-based analysis revealed an oral-microbiome origin for two marker species, strengthening the importance of bacterial translocation in disease development. Lastly, we confirmed experimentally that peptides of SLE-enriched species mimicking autoantigens such as Sm and Fas could trigger autoimmune responses, suggesting a potential causal role of gut microbiota in SLE.

The oral cavity of each person is home for hundreds of bacterial species. While taxa for oral diseases have been well studied using culture-based as well as amplicon sequencing methods, metagenomic and genomic information remain scarce compared to the fecal microbiome. Here we provide metagenomic shotgun data for 3346 oral metagenomics samples, and together with 808 published samples, assemble 56,213 metagenome-assembled genomes (MAGs). 64% of the 3,589 species-level genome bins contained no publicly available genomes, others with only a handful. The resulting genome collection is representative of samples around the world and across physiological conditions, contained many genomes from Candidate phyla radiation (CPR) which lack monoculture, and enabled discovery of new taxa such as a family within the Acholeplasmataceae order. New biomarkers were identified for rheumatoid arthritis or colorectal cancer, which would be more convenient than fecal samples. The large number of metagenomic samples also allowed assembly of many strains from important oral taxa such as Porphyromonas and Neisseria. Predicted functions enrich in drug metabolism and small molecule synthesis. Thus, these data lay down a genomic framework for future inquiries of the human oral microbiome.

Abstract Cannabidiol (CBD), a non-euphoric component of cannabis, reduces seizures in multiple forms of pediatric epilepsy, but the mechanism(s) of anti-seizure action remain unclear. In one leading model, CBD acts at glutamatergic axon terminals, blocking pro-excitatory actions of an endogenous membrane phospholipid, lysophosphatidylinositol (LPI), at the G protein-coupled receptor GPR55. However, the impact of LPI-GPR55 signaling at inhibitory synapses and in epileptogenesis remains underexplored. We found that LPI transiently increased hippocampal CA3→CA1 excitatory presynaptic release probability and evoked synaptic strength in WT mice, while attenuating inhibitory postsynaptic strength by decreasing GABA A Rγ 2 and gephyrin puncta. Effects of LPI at both excitatory and inhibitory synapses were eliminated by CBD pretreatment and absent after GPR55 deletion. Acute pentylenetrazole-induced seizures elevated levels of GPR55 and LPI, and chronic lithium pilocarpine-induced epileptogenesis potentiated the pro-excitatory effects of LPI. We propose that CBD exerts potential therapeutic effect both by blocking synaptic effects of LPI and dampening hyperexcitability.

The molecular mechanisms that couple plasma membrane receptors/channels to specific intracellular responses, such as increased gene expression, are incompletely understood. The postsynaptic scaffolding protein Shank3 associates with Ca2+ permeable receptors or ion channels that can activate many downstream signaling proteins, including calcium/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII). Here, we show that Shank3/CaMKIIα complexes can be specifically co-immunoprecipitated from mouse forebrain lysates, and that purified activated (Thr286 autophosphorylated) CaMKIIα binds directly to Shank3 between residues 829-1130. Mutation of three basic residues in Shank3 (R949RK951) to alanine disrupts CaMKII binding to Shank3 fragments in vitro, as well as CaMKII association with full-length Shank3 in heterologous cells. Our shRNA/rescue studies revealed that Shank3 binding to both CaMKII and L-type calcium channels (LTCCs) is required for increased phosphorylation of the nuclear CREB transcription factor induced by depolarization of cultured hippocampal neurons. Thus, this novel Shank3-CaMKII interaction is essential for the initiation of a specific long-range signal from plasma membrane LTCCs to the nucleus that is required for activity-dependent changes in neuronal gene expression during learning and memory.

In recent years, optimizing antibodies for biomedical applications has become increasingly important. However, traditional wet-experiment-based approaches are time-consuming and inefficient. To address this issue, we propose a diffusion model-based antibody optimization pipeline to improve binding affinity. Our approach involves two key models: AbDesign for designing antibody sequences and structures, and AbDock, a paratope-epitope docking model, used for scoring designed CDRs. On an independent test set, our AbDesign demonstrates the exceptional performance of an RMSD of 2.56 in structure design and an amino acid recovery of 36.47% in sequence design. In a paratope-epitope docking test set, our AbDock achieves a state-of-the-art performance of DockQ 0.44, irms 2.71, fnat 0.40, and Lrms 6.29. The effectiveness of the optimization pipeline is further validated by experimentally optimizing a flaviviruse antibody 1G5.3, resulting in a broad-spectrum antibody that demonstrates improved binding to 6 out of the nine tested flaviviruses. This research offers a general-purpose methodology to enhance antibody functionality without training on data from specific antigens.

Elephant grass (Pennisetum purpureum Schum., A'A'BB, 2n=4x=28), which is characterized as robust growth and high biomass, and widely distributed in tropical and subtropical areas globally, is an important forage, biofuels and industrial plant. We sequenced its allopolyploid genome and assembled 2.07 Gb (96.88%) into A' and B sub-genomes of 14 chromosomes with scaffold N50 of 8.47 Mb. A total of 38,453 and 36,981 genes were annotated in A' and B sub-genomes, respectively. A phylogenetic analysis with species in Pennisetum identified that the speciation of the allotetraploid occurred approximately 15 MYA after the divergence between S.italica and P. glaucum. Double whole-genome duplication (WGD) and polyploidization events resulted in large scale gene expansion, especially in the key steps of growth and biomass accumulation. Integrated transcriptome profiling revealed the functional differentiation between sub-genomes; A' sub-genome contributed more to plant growth, development and photosynthesis whereas B sub-genome primarily offered functions of effective transportation and resistance to stimulation. The results uncovered enhanced cellulose and lignin biosynthesis pathways with 645 and 666 genes expanded in A' and B sub-genomes, respectively. Our findings provided deep insights into the speciation and genetic basis of fast growth and high biomass accumulation in the species. The genetic, genomic, and transcriptomic resources generated in this study will pave the way for further domestication and selection of these economical species and make them more adaptive to industrial utilization.