Abstract Monoterpene indole alkaloids (MIAs) are a diverse family of complex plant secondary metabolites with many medicinal properties, including the essential anti-cancer therapeutics vinblastine and vincristine 1 . As MIAs are difficult to chemically synthesize, the world’s supply chain for vinblastine relies on low-yielding extraction and purification of the precursors vindoline and catharanthine from the plant Catharanthus roseus , which is then followed by simple in vitro chemical coupling and reduction to form vinblastine at an industrial scale 2,3 . Here, we demonstrate the de novo microbial biosynthesis of vindoline and catharanthine using a highly engineered yeast, and in vitro chemical coupling to vinblastine. The study showcases a very long biosynthetic pathway refactored into a microbial cell factory, including 30 enzymatic steps beyond the yeast native metabolites geranyl pyrophosphate and tryptophan to catharanthine and vindoline. In total, 56 genetic edits were performed, including expression of 34 heterologous genes from plants, as well as deletions, knock-downs and overexpression of ten yeast genes to improve precursor supplies towards de novo production of catharanthine and vindoline, from which semisynthesis to vinblastine occurs. As the vinblastine pathway is one of the longest MIA biosynthetic pathways, this study positions yeast as a scalable platform to produce more than 3,000 natural MIAs and a virtually infinite number of new-to-nature analogues.

Abstract Protein-coding genetic variants that strongly affect disease risk can provide important clues into disease pathogenesis. Here we report an exome sequence analysis of 20,791 type 2 diabetes (T2D) cases and 24,440 controls from five ancestries. We identify rare (minor allele frequency<0.5%) variant gene-level associations in (a) three genes at exome-wide significance, including a T2D-protective series of >30 SLC30A8 alleles, and (b) within 12 gene sets, including those corresponding to T2D drug targets ( p =6.1×10 −3 ) and candidate genes from knockout mice ( p =5.2×10 −3 ). Within our study, the strongest T2D rare variant gene-level signals explain at most 25% of the heritability of the strongest common single-variant signals, and the rare variant gene-level effect sizes we observe in established T2D drug targets will require 110K-180K sequenced cases to exceed exome-wide significance. To help prioritize genes using associations from current smaller sample sizes, we present a Bayesian framework to recalibrate association p -values as posterior probabilities of association, estimating that reaching p <0.05 ( p <0.005) in our study increases the odds of causal T2D association for a nonsynonymous variant by a factor of 1.8 (5.3). To help guide target or gene prioritization efforts, our data are freely available for analysis at www.type2diabetesgenetics.org .

ABSTRACT North China and South Siberia, mainly populated by Altaic-speaking populations, possess extensive ethnolinguistic diversity and serve as the crossroad for the initial peopling of America and western-eastern trans-continental communication. Yet, the complex scenarios of genetic origin, population structure, and admixture history of North-East Asia remain to be fully characterized, especially for Mongolic people in China with a genome-wide perspective. Thus, we genotyped genome-wide SNPs for 510 individuals from 38 Chinese Mongolic, Tungusic, and Sinitic populations to explore the sharing alleles and haplotypes within the studied groups and following merged it with 3508 modern and ancient Eurasian individuals to reconstruct the deep evolutionary and natural selection history of northern East Asians. We identified significant substructures within Altaic-speaking populations with the primary common ancestry linked to the Neolithic northern East Asians: Western Turkic people harbored more western Eurasian ancestry; Northern Mongolic people in Siberia and eastern Tungusic people in Amur River Basin (ARB) possessed dominant Neolithic Mongolian Plateau (MP) or ARB ancestry; Southern Mongolic people in China owned obvious genetic impact from Neolithic Yellow River Basin (YRB) farmers. Additionally, we found the differentiated admixture history between western and eastern Mongolians and geographically close Northeast Hans: the former received a genetic impact from western Eurasians and the latter retained the dominant YRB and ARB Neolithic ancestry. Moreover, we demonstrated that Kalmyk people from the northern Caucasus Mountain possessed a strong genetic affinity with Neolithic MP people, supporting the hypothesis of their eastern Eurasian origin and long-distance migration history. We also illuminated that historic pastoral empires in the MP contributed considerably to the gene pool of northern Mongolic people but rarely to southern ones. We finally found natural signatures in Mongolians associated with alcohol metabolism. Generally, our results not only illuminated that complex population migration and admixture of Neolithic ancestral sources from the MP or ARB played an important role in the spread of Altaic-speaking populations and Proto-Altaic language, which partly supported the Northeast Asia-origin hypothesis, but also demonstrated that the observed multi-sources of genetic diversity contributed significantly to the modern existing extensive ethnolinguistic diversity in North-East Asia.

Abstract In mammals, genomic regions with enhancer activity turnover rapidly; in contrast, gene expression patterns and transcription factor binding preferences are largely conserved. Based on this conservation, we hypothesized that enhancers active in different mammals would exhibit conserved sequence patterns in spite of their different genomic locations. We tested this hypothesis by quantifying the conservation of sequence patterns underlying histone-mark defined enhancers across six diverse mammals in two machine learning frameworks. We first trained support vector machine (SVM) classifiers based on the frequency spectrum of short DNA sequence patterns. These classifiers accurately identified many adult liver, developing limb, and developing brain enhancers in each species. Then, we applied these classifiers across species and found that classifiers trained in one species and tested in another performed nearly as well as classifiers trained and tested on the same species. This indicates that the short sequence patterns predictive of enhancers are largely conserved. We also observed similar cross-species conservation when applying the models to human and mouse enhancers validated in transgenic assays. The sequence patterns most predictive of enhancers in each species matched the binding motifs for a common set of TFs enriched for expression in relevant tissues, supporting the biological relevance of the learned features. To test the conservation of more complex sequences patterns, we trained convolutional neural networks (CNNs) on enhancer sequences in each species. The CNNs demonstrated better performance overall, but worse cross-species generalization than SVMs, suggesting the importance of combinatorial interactions between motifs, but less conservation of these more complex sequence patterns. Thus, despite the rapid change of active enhancer locations between mammals, cross-species enhancer prediction is often possible. Furthermore, short sequence patterns encoding enhancer activity have been maintained across more than 180 million years of mammalian evolution, with evolutionary change in more complex sequence patterns. Author summary Alterations in gene expression levels are a driving force of both speciation and complex disease; therefore, it is of great importance to understand the mechanisms underlying the evolution and function gene regulatory DNA sequences. Recent studies have revealed that while gene expression patterns and transcription factor binding preferences are broadly conserved across diverse animals, there is extensive turnover in distal gene regulatory regions, called enhancers, between closely related species. We investigate this seeming incongruence by analyzing genome-wide enhancer datasets from six diverse mammalian species. We trained two machine-learning classifiers—a k -mer spectrum support vector machine (SVM) and convolutional neural network (CNN)—to distinguish enhancers from the genomic background. The k -mer spectrum SVM models the occurrences of short sequence patterns while the CNN models both the short sequences patterns and their combinatorial patterns. Both the SVM and CNN enhancer prediction models trained in one species are able to predict enhancers in the same cellular context in other species. However, CNNs performed better at predicting enhancers in each species, but they generalize less well across species than the SVMs. This argues that the short sequence properties encoding regulatory activity are remarkably conserved across more than 180 million years of mammalian evolution with more evolutionary turnover in the more complex combinations of the conserved short sequence motifs.

The culturally unique Sanya Hui (SYH) people are regarded as the descendants of ancient Cham people in Central Vietnam (CV) and exhibit a scenario of complex migration and admixture history, who were likely to first migrate from Central and South Asia (CSA) to CV and then to South Hainan and finally assimilated with indigenous populations and resided in the tropical island environments since then. A long-standing hypothesis posits that SYH derives from different genetic and cultural origins, which hypothesizes that SYH people are different from the genetically attested admixture history of northern Hui people possessing major Han-related ancestry and minor western Eurasian ancestry. However, the effect of the cultural admixture from CSA and East Asia (EA) on the genetic admixture of SYH people remains unclear. Here, we reported the first batch of genome-wide SNP data from 94 SYH people from Hainan and comprehensively characterized their genetic structure, origin, and admixture history. Our results found that SYH people were genetically different from the northern Chinese Hui people and harbored a close genomic affinity with indigenous Vietnamese but a distinct relationship with Cham, which confirmed the hypothesis of documented recent historical migration from CV and assimilation with Hainan indigenous people. The fitted admixture models and reconstructed demographic frameworks revealed an additional influx of CSA and EA ancestries during the historical period, consisting of the frequent cultural communication along the Southern Maritime Silk Road and extensive interaction with EA. Analyses focused on natural-selected signatures of SYH people revealed a similar pattern with mainland East Asians, which further confirmed the possibility of admixture-induced biological adaptation of island environments. Generally, three genetically attested ancestries from CV, EA, and CSA in modern SYH people supported their tripartite model of genomic origins.

Diabetes augments activity of histone deacetylase 6 (HDAC6) and generation of tumor necrosis factor α (TNFα) and impairs the physiological function of mitochondrial complex I (mCI) which oxidizes reduced nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) to nicotinamide adenine dinucleotide to sustain the tricarboxylic acid cycle and β-oxidation. Here we examined how HDAC6 regulates TNFα production, mCI activity, mitochondrial morphology and NADH levels, and cardiac function in ischemic/reperfused diabetic hearts.HDAC6 knockout, streptozotocin-induced type 1 diabetic, and obese type 2 diabetic db/db mice underwent myocardial ischemia/reperfusion injury in vivo or ex vivo in a Langendorff-perfused system. H9c2 cardiomyocytes with and without HDAC6 knockdown were subjected to hypoxia/reoxygenation injury in the presence of high glucose. We compared the activities of HDAC6 and mCI, TNFα and mitochondrial NADH levels, mitochondrial morphology, myocardial infarct size, and cardiac function between groups.Myocardial ischemia/reperfusion injury and diabetes synergistically augmented myocardial HDCA6 activity, myocardial TNFα levels, and mitochondrial fission and inhibited mCI activity. Interestingly, neutralization of TNFα with an anti-TNFα monoclonal antibody augmented myocardial mCI activity. Importantly, genetic disruption or inhibition of HDAC6 with tubastatin A decreased TNFα levels, mitochondrial fission, and myocardial mitochondrial NADH levels in ischemic/reperfused diabetic mice, concomitant with augmented mCI activity, decreased infarct size, and ameliorated cardiac dysfunction. In H9c2 cardiomyocytes cultured in high glucose, hypoxia/reoxygenation augmented HDAC6 activity and TNFα levels and decreased mCI activity. These negative effects were blocked by HDAC6 knockdown.Augmenting HDAC6 activity inhibits mCI activity by increasing TNFα levels in ischemic/reperfused diabetic hearts. The HDAC6 inhibitor, tubastatin A, has high therapeutic potential for acute myocardial infarction in diabetes.

Abstract The emergence of Omicron lineages and descendent subvariants continues to present a severe threat to the effectiveness of vaccines and therapeutic antibodies. We have previously suggested that an insufficient mucosal IgA response induced by the mRNA vaccines is associated with a surge in breakthrough infections. Here, we further show that the intramuscular mRNA and/or inactivated vaccines cannot sufficiently boost the mucosal sIgA response in uninfected individuals, particularly against the Omicron variant. We thus engineered and characterized recombinant monomeric, dimeric and secretory IgA1 antibodies derived from four neutralizing IgG monoclonal antibodies targeting the receptor-binding domain of the spike protein (01A05, rmAb23, DXP-604 and XG014). Compared to their parental IgG antibodies, dimeric and secretory IgA1 antibodies showed a higher neutralizing activity against different variants of concern (VOCs), in part due to an increased avidity. Importantly, the dimeric or secretory IgA1 form of the DXP-604 antibody significantly outperformed its parental IgG antibody, and neutralized the Omicron lineages BA.1, BA.2 and BA.4/5 with a 50-150-fold increase in potency, reaching the level of the most potent monoclonal antibodies described till date. In hACE2 transgenic mice, a single intranasal dose of the dimeric IgA DXP-604 conferred prophylactic and therapeutic protection against Omicron BA.5. Conversion of IgA and dimerization further enhanced or restored the neutralizing ability against the emerging Omicron sub-variants (DXP-604 for BQ.1, BQ.1.1 and BA2.75; 01A05 for BA2.75, BA.2.75.2 and XBB.1). Thus, dimeric or secretory IgA delivered by nasal administration may potentially be exploited for the treatment and prevention of Omicron infection, thereby providing an alternative tool for combating immune evasion by subvariants and, potentially, future VOCs. One Sentence Summary Engineered dimeric and secretory IgA1 neutralized Omicron variant with higher potency than parental IgG.

Withdrawal Statement The author has withdrawn this manuscript owing to it having been posted without securing the appropriate approvals. Therefore, the author does not wish this work to be cited as reference for the project. If you have any questions, please contact the corresponding author.

Abstract SARS-CoV-2 infection-induced hyper-inflammation links to the acute lung injury and COVID-19 severity. Identifying the primary mediators that initiate the uncontrolled hypercytokinemia is essential for treatments. Mast cells (MCs) are strategically located at the mucosa and beneficially or detrimentally regulate immune inflammations. Here we showed that SARS-CoV-2-triggeed MC degranulation initiated alveolar epithelial inflammation and lung injury. SARS-CoV-2 challenge induced MC degranulation in ACE-2 humanized mice and rhesus macaques, and a rapid MC degranulation could be recapitulated with Spike-RBD binding to ACE2 in cells; MC degranulation alterred various signaling pathways in alveolar epithelial cells, particularly, led to the production of pro-inflammatory factors and consequential disruption of tight junctions. Importantly, the administration of clinical MC stabilizers for blocking degranulation dampened SARS-CoV-2-induced production of pro-inflammatory factors and prevented lung injury. These findings uncover a novel mechanism for SARS-CoV-2 initiating lung inflammation, and suggest an off-label use of MC stabilizer as immunomodulators for COVID-19 treatments. Graphical abstract In Brief SARS-CoV-2 triggers an immediate mast cell (MC) degranulation, which initiates the alveolar epithelial inflammation and disrupts the tight junction. MC stabilizers that block degranulation reduce virus-induced lung inflammation and injury. Highlights The binding of RBD of Spike protein of SARS-CoV-2-to ACE2 receptor protein triggers an immediate MC degranulation MC degranulation induces transcriptomic changes include an upregulated inflammatory signaling and a downregulated cell-junction signaling MC degranulation leads to alveolar epithelial inflammation and disruption of tight junctions MC stabilizer that inhibits degranulation reduces SARS-CoV-2-induced lung inflammation and injury in vivo

Elevated uric acid (UA) is a key factor for disorders, including gout or kidney stones and result from abrogated expression of Urate Oxidase (Uro) and diet. To understand the genetic pathways influencing UA metabolism we established a Drosophila melanogaster model with elevated UA using Uro knockdown. Reduced Uro expression resulted in the accumulation of UA concretions and diet-dependent shortening of lifespan. Inhibition of insulin-like signaling (ILS) pathway genes reduced UA and the concretion load. In humans, SNPs in the ILS genes AKT2 and FOXO3 were associated with UA levels or gout, supporting a conserved role for ILS in modulating UA metabolism. Downstream of the ILS pathway UA pathogenicity was mediated partly by NADPH Oxidase, whose inhibition attenuated the reduced lifespan and concretion accumulation. Thus, genes in the ILS pathway represent potential therapeutic targets for treating UA associated pathologies, including gout and kidney stones.