Abstract RNA hybridization based spatial transcriptomics provides unparalleled detection sensitivity. However, inaccuracies in segmentation of image volumes into cells cause misassignment of mRNAs which is a major source of errors. Here we develop JSTA, a computational framework for Joint cell Segmentation and cell Type Annotation that utilizes prior knowledge of cell-type specific gene expression. Simulation results show that leveraging existing cell type taxonomy increases RNA assignment accuracy by more than 45%. Using JSTA we were able to classify cells in the mouse hippocampus into 133 (sub)types revealing the spatial organization of CA1, CA3, and Sst neuron subtypes. Analysis of within cell subtype spatial differential gene expression of 80 candidate genes identified 43 with statistically significant spatial differential gene expression across 61 (sub)types. Overall, our work demonstrates that known cell type expression patterns can be leveraged to improve the accuracy of RNA hybridization based spatial transcriptomics while providing highly granular cell (sub)type information. The large number of newly discovered spatial gene expression patterns substantiates the need for accurate spatial transcriptomics measurements that can provide information beyond cell (sub)type labels.

The complex neuropathology of traumatic brain injury (TBI) is difficult to dissect in the hippocampus considering the convoluted hippocampal cytoarchitecture. As a major casualty of TBI, hippocampal dysfunction results in cognitive decline that may escalate to other neurological disorders, and the molecular basis is hidden in the genomic programs of individual hippocampal cells. Using the unbiased single cell sequencing method Drop-seq, we uncovered the hippocampal cell types most sensitive to concussive mild TBI (mTBI) as well as the vulnerable genes, pathways and cell-cell interactions predictive of disease pathogenesis in a cell-type specific manner, revealing hidden pathogenic mechanisms and potential targets. Targeting Ttr, encoding the thyroid hormone T4 transporter transthyretin, mitigated the genomic and behavioral abnormalities associated with mTBI. Single cell genomics provides unique evidence about altered circuits and pathogenic pathways, and pinpoints new targets amenable to therapeutics in mTBI and related disorders.

Background High fructose consumption induces disparate metabolic responses between mouse strains.Objective Our goal is to investigate the role of gut microbiota in the differential metabolic responses to fructose in genetically diverse mouse strains, namely, C57BL/6J (B6), DBA/2J (DBA), and FVB/NJ (FVB).Methods Eight-week old male mice of B6, DBA, and FVB strains were given 8% fructose in the drinking water for 12 weeks. Using 16S ribosomal RNA sequencing, the gut microbiota composition was analyzed from cecum and feces, and correlated with metabolic phenotypes and host gene expression in hypothalamus, liver, and adipose tissue to prioritize microbial taxa that may contribute to differential host fructose responses. Lastly, fecal transplant and Akkermansia muciniphila colonization experiments were conducted to test the causal role of gut microbiota in determining mouse strain-specific fructose responses.Results DBA mice consuming fructose demonstrated significant increases in body weight, adiposity, and glucose intolerance, which were accompanied by low baseline levels of Akkermansia , S24-7, and Turicibacter , compared to B6 and FVB mice which did not exhibit body mass and glycemic alterations. Additionally, fructose altered several microbial taxa that demonstrated strain-specific correlations with metabolic phenotypes and gene expression in host tissues. From the fecal microbiota transplant experiments between B6 and DBA, B6 microbes abrogated the fructose response in DBA mice by conferring resistance to weight and fat gain and glucose intolerance. Further, DBA mice receiving Akkermansia muciniphila , which was enriched in B6 and FVB, also mitigated fructose-induced metabolic dysfunctions.Conclusions Our findings support that differential microbiota composition between mouse strains is partially responsible for host metabolic sensitivity to fructose, and Akkermansia is one of the key responsible microbiota that confers resistance to fructose-induced dysregulation of adiposity and glycemic traits.

High fructose intake is a major risk for metabolic syndrome; however, its effects seem to vary across individuals. To determine main factors involved in the inter-individual responses to fructose, we fed inbred mouse strains C57BL/6J (B6), DBA/2J (DBA) and FVB/NJ (FVB) with fructose. DBA mice showed the highest susceptibility to gain adiposity and glucose intolerance. Elevated insulin was found in DBA and FVB mice, and cholesterol levels were uniquely elevated in B6 mice. The transcriptional profiles of liver, hypothalamus, and adipose tissues showed strain- and tissue-specific pathways altered by fructose, such as fatty acid and cholesterol pathways for B6 and PPAR signaling for DBA in liver, and oxidative phosphorylation for B6 and protein processing for DBA in hypothalamus. Using network modeling, we predicted potential strain-specific key regulators of fructose response such as Fgf21 (DBA) and Lss (B6) in liver, and validated strain-biased responses as well as the regulatory actions of Fgf21 and Lss in primary hepatocytes. Our findings support that fructose perturbs individualized tissue networks and pathways and associates with distinct features of metabolic dysfunctions across genetically diverse mice. Our results elucidate the molecular pathways and gene regulatory mechanisms underlying inter-individual variability in response to high fructose diet.

Summary The gut bacterium Akkermansia muciniphila ( A. muciniphila ) has been implicated in anti-obesity effects, but a systems level understanding of the molecular mechanisms is lacking. We carried out multiomics studies to investigate the molecular cascades mediating the anti-obesity effect of A. muciniphila in a fructose-induced obesity mouse model. We found that A. muciniphila colonization triggered significant shifts in gut microbiota composition, gut and plasma metabolites, and gene expression in hypothalamic neurons. Multiomics integration and network analysis prioritized the metabolite oleoyl-ethanolamide (OEA) in the gut and circulation as a regulator of gut-brain interactions that underlie the A. muciniphila anti-obesity effect. Oral administration of OEA counteracted the fructose-induced obesity through the regulation of hypothalamic anorexigenic neuropeptides such as oxytocin and arginine vasopressin. Our multiomics investigation and experimental validation elucidates the molecular regulators and pathways involved in the communication between A. muciniphila in the gut and hypothalamic neurons that counter fructose-induced obesity.

Abstract Background The complex pathology of mild traumatic brain injury (mTBI) is a main contributor to the difficulties in achieving a successful therapeutic regimen. Thyroxine (T4) administration has been shown to prevent the cognitive impairments induced by mTBI in mice. Method To understand the underlying mechanism, we carried out a single cell transcriptomic study to investigate the spatiotemporal effects of T4 on individual cell types in the hippocampus and frontal cortex at three post-injury stages. Findings Our multi-tissue multi-stage results showed that T4 treatment altered the proportions and transcriptomes of numerous cell types across tissues and timepoints, particularly oligodendrocytes, astrocytes, and microglia, which are crucial for injury repair. T4 also reversed the expression mTBI-affected genes such as Ttr, mt-Rnr2 , Ggn12, Malat1, Gnaq, and Myo3a , as well as numerous pathways such as cell/energy/iron metabolism, immune response, nervous system, and cytoskeleton-related pathways. Cell-type specific network modeling revealed that T4 mitigated select mTBI-perturbed dynamic shifts in subnetworks related to cell cycle, stress response, and RNA processing in oligodendrocytes. Cross cell-type ligand-receptor networks recapitulated the roles of App, Hmgb1, Fn1, and Tnf in mTBI, the latter two ligands having been previously identified as TBI network hubs. mTBI and/or T4 signature genes were enriched for human genome-wide association study (GWAS) candidate genes for cognitive, psychiatric and neurodegenerative disorders related to mTBI, supporting T4 as a potential mTBI treatment. Interpretation Our systems-level approach elucidated the temporal and spatial dynamic reprogramming of cell-type specific genes, pathways, and networks, as well as cell-cell communications through which T4 mitigates cognitive dysfunction induced by mTBI. Funding This work was funded by NIHR01NS117148 to X.Y. and F.G.P. Research in Context Evidence before this study Dysfunction in the brain resulting from traumatic brain injury can display immediately as well as several years post-injury. It also impacts various brain regions, including the hippocampus and frontal cortex, which are linked to distinct disease pathologies. The complexity of spatiotemporal and molecular dynamics of perturbation caused by TBI hinder our ability to establish an effective therapeutic approach. Recently, thyroid hormone poses promise as a potential therapeutic target based on our previous scRNA-seq studies. Yet, the mechanisms by which T4 alleviates mTBI, specifically those related to spatial, temporal, and cell-type specificity, remain unexplored. Added value of this study We examined the impact of T4 intervention in mitigating mTBI by investigating the transcriptome and functional pathways across two affected brain regions, the frontal cortex and hippocampus, in different stages of injury. Utilizing a systems biology approach, we conducted within- and between-cell-type network modeling, cell-cell communication and integrating human genome-wide association studies (GWAS) analysis. This comprehensive strategy aimed to elucidate the cellular and molecular mechanisms through which T4 averts cognitive impairments induced by mTBI. Implications of all the available evidence Our findings offer molecular evidence that the administration of T4 impacts a wide range of genes, biological processes, and networks, thereby preventing the advancement of mTBI-induced brain dysfunction and associated diseases. This comprehensive impact of T4 suggests potential advantages in efficacy compared to other therapeutic options that concentrate on specific pathways and targets.

Abstract Scope We explored the influence of DHA on cardiometabolic and cognitive phenotypes, and multiomic alterations in the brain under two metabolic conditions to understand context-specific nutritional effects. Methods and Results Rats were randomly assigned to a DHA-rich or a control chow diet while drinking water or high fructose solution, followed by profiling of metabolic and cognitive phenotypes and the transcriptome and DNA methylome of the hypothalamus and hippocampus. DHA reduced serum triglyceride and improved insulin resistance and memory exclusively in the fructose-consuming rats. In hippocampus, DHA affected genes related to synapse functions in the chow group but immune functions in the fructose group; in hypothalamus, DHA altered immune pathways in the chow group but metabolic pathways in the fructose group. Network modeling revealed context-specific regulators of DHA effects, including Klf4 and Dusp1 for chow condition and Lum, Fn1 , and Col1a1 for fructose condition in hippocampus, as well as Cyr61, JunB, Ier2 , and Pitx2 under chow condition and Hcar1, Cdh1 , and Osr1 under fructose condition in hypothalamus. Conclusion DHA exhibits differential influence on epigenetic loci, genes, pathways, and metabolic and cognitive phenotypes under different dietary contexts, supporting population stratification in DHA studies to achieve precision nutrition.