Abstract Global profile of gene expression at single-cell resolution remains to be determined for primates. Using a recently developed technology (“Stereo-seq”), we have obtained a comprehensive single-cell spatial transcriptome map at the whole-brain level for cynomolgus monkeys, with ∼600 genes per cell for 10 μm-thick coronal sections (up to 15 cm 2 in size). Large-scale single-nucleus RNA-seq analysis for ∼1 million cells helped to identify cell types corresponding to Stereo-seq gene expression profiles, providing a 3-D cell type atlas of the monkey brain. Quantitative analysis of Stereo-seq data revealed molecular fingerprints that mark distinct neocortical layers and subregions, as well as domains within subcortical structures including hippocampus, thalamus, striatum, cerebellum, hypothalamus and claustrum. Striking whole-brain topography and coordinated patterns were found in the expression of genes encoding receptors and transporters for neurotransmitters and neuromodulators. These results pave the way for cellular and molecular understanding of organizing principles of the primate brain.

The gut microbiome has been implicated in a variety of physiological states, but controversy over causality remains unresolved. Here, we performed bidirectional Mendelian randomization (MR) analyses on 3,432 Chinese individuals with whole genome, whole metagenome, anthropometric, and blood metabolic trait data. We identified 58 causal relationships between the gut microbiome and blood metabolites, and replicated 43 of them. Increased relative abundances of fecal Oscillibacter and Alistipes were causally linked to decreased triglyceride concentration. Conversely, blood metabolites such as glutamic acid appeared to decrease fecal Oxalobacter , and members of Proteobacteria were influenced by metabolites such as 5-methyltetrahydrofolic acid, alanine, glutamate, and selenium. Two-sample MR with data from Biobank Japan partly corroborated results with triglyceride and with uric acid, and also provided causal support for published fecal bacterial markers for cancer and cardiovascular diseases. This study illustrates the value of human genetic information to help prioritize gut microbial features for mechanistic and clinical studies.

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 The clinical and largely unpredictable heterogeneity of phenotypes in patients with mitochondrial disorders demonstrates the ongoing challenges in the understanding of this semi-autonomous organelle in biology and disease. Here we present a new animal model that recapitulates key components of Leigh Syndrome, French Canadian Type (LSFC), a mitochondrial disorder that includes diagnostic liver dysfunction. LSFC is caused by allelic variations in the Leucine Rich Pentatricopeptide repeat-containing motif ( LRPPRC ) gene. LRPPRC has native functions related to mitochondrial mRNA polyadenylation and translation as well as a role in gluconeogenesis. We used the Gene-Breaking Transposon (GBT) cassette to create a revertible, insertional mutant zebrafish line in the LRPPRC gene. lrpprc zebrafish homozygous mutants displayed impaired muscle development, liver function and lowered levels of mtDNA transcripts and are lethal by 12dpf, all outcomes similar to clinical phenotypes observed in patients. Investigations using an in vivo lipidomics approach demonstrated accumulation of non-polar lipids in these animals. Transcript profiling of the mutants revealed dysregulation of clinically important nuclearly encoded and mitochondrial transcripts. Using engineered liver-specific rescue as a genetic model therapy, we demonstrate survival past the initial larval lethality, as well as restored normal gut development, mitochondrial morphology and triglyceride levels functionally demonstrating a critical role for the liver in the pathophysiology of this model of mitochondrial disease. Understanding the molecular mechanism of the liver-mediated genetic rescue underscores the potential to improve the clinical diagnostic and therapeutic developments for patients suffering from these devastating disorders.

Abstract The oral microbiota contains billions of microbial cells, which could contribute to diseases in a number of body sites. Challenged by eating, drinking and dental hygiene on a daily basis, the oral microbiota is regarded as highly dynamic. Here, we report significant human genomic associations with the oral metagenome from more than 1,915 individuals, for both the tongue dorsum and saliva. We identified five genetic loci associated with oral microbiota at study-wide significance ( p < 3.16 × 10 −11 ). Four of the five associations were well replicated in an independent cohort of 1,439 individuals: rs1196764 at APPL2 with Prevotella jejuni, Oribacterium uSGB 3339 and Solobacterium uSGB 315 ; rs3775944 at the serum uric acid transporter SLC2A9 with Oribacterium uSGB 1215, Oribacterium uSGB 489 and Lachnoanaerobaculum umeaense ; rs4911713 near OR11H1 with species F0422 uSGB 392; and rs36186689 at LOC105371703 with Eggerthia . Further analyses confirmed 84% (386/455 for tongue dorsum) and 85% (391/466 for saliva) of genetic-microbiota associations including 6 genome-wide significant associations mutually validated between the two niches. Human genetics accounted for at least 10% of oral microbiome compositions between individuals. Machine learning models showed that polygenetic risk score dominated over oral microbiome in predicting predisposing risk of dental diseases such as dental calculus and gingival bleeding. These findings indicate that human genetic differences are one explanation for a stable or recurrent oral microbiome in each individual.

Mitochondria are a network of critical intracellular organelles with diverse functions ranging from energy production to cell signaling. The mitochondrial genome (mtDNA) consists of 37 genes that support oxidative phosphorylation and are prone to dysfunction that can lead to currently untreatable diseases. Further characterization of mtDNA gene function and creation of more accurate models of human disease will require the ability to engineer precise genomic sequence modifications. To date, mtDNA has been inaccessible to direct modification using traditional genome engineering tools due to unique DNA repair contexts in mitochondria. Here, we report a new DNA modification process using sequence-specific transcription activator-like effector (TALE) proteins to manipulate mtDNA in vivo and in vitro for reverse genetics applications. First, we show mtDNA deletions can be induced in Danio rerio (zebrafish) using site-directed mitoTALE-nickases (mito-nickases). Using this approach, the protein-encoding mtDNA gene nd4 was deleted in injected zebrafish embryos. Furthermore, this DNA engineering system recreated a large deletion spanning from nd5 to atp8, which is commonly found in human diseases like Kearns-Sayre syndrome (KSS) and Pearson syndrome. Enrichment of mtDNA-deleted genomes was achieved using targeted mitoTALE-nucleases (mitoTALENs) by co-delivering both mito-nickases and mitoTALENs into zebrafish embryos. This combined approach yielded deletions in over 90% of injected animals, which were maintained through adulthood in various tissues. Subsequently, we confirmed that large, targeted deletions could be induced with this approach in human cells. In addition, we show that, when provided with a single nick on the mtDNA light strand, the binding of a terminal TALE protein alone at the intended recombination site is sufficient for deletion induction. This 'block and nick' approach yielded engineered mitochondrial molecules with single nucleotide precision using two different targeted deletion sites. This precise seeding method to engineer mtDNA variants is a critical step for the exploration of mtDNA function and for creating new cellular and animal models of mitochondrial disease.

The zebrafish is a powerful model to explore the molecular genetics and expression of the vertebrate genome. The gene break transposon (GBT) is a unique insertional mutagen that reports the expression of the tagged member of the proteome while generating Cre-revertible genetic alleles. This 1000+ locus collection represents novel codex expression data from the illuminated mRFP protein trap, with 36% and 87% of the cloned lines showcasing to our knowledge the first described expression of these genes at day 2 and day 4 of development, respectively. Analyses of 183 molecularly characterized loci indicate a rich mix of genes involved in diverse cellular processes from cell signaling to DNA repair. The mutagenicity of the GBT cassette is very high as assessed using both forward and reverse genetic approaches. Sampling over 150 lines for visible phenotypes after 5 dpf shows a similar rate of discovery of embryonic phenotypes as ENU and retroviral mutagenesis. Furthermore, five cloned insertions were in loci with previously described phenotypes; embryos homozygous for each of the corresponding GBT alleles displayed strong loss of function phenotypes comparable to published mutants using other mutagenesis strategies (ryr1b, fras1, tnnt2a, edar and hmcn1). Using molecular assessment after positional cloning, to date nearly all alleles cause at least a 99+% knockdown of the tagged gene. Interestingly, over 35% of the cloned loci represent 68 mutants in zebrafish orthologs of human disease loci, including nervous, cardiovascular, endocrine, digestive, musculoskeletal, immune and integument systems. The GBT protein trapping system enabled the construction of a comprehensive protein codex including novel expression annotation, identifying new functional roles of the vertebrate genome and generating a diverse collection of potential models of human disease.