Whole-genome sequencing has become an indispensible tool of modern biology. However, the cost of sample preparation relative to the cost of sequencing remains high, especially for small genomes where the former is dominant. Here we present a protocol for rapid and inexpensive preparation of hundreds of multiplexed genomic libraries for Illumina sequencing. By carrying out the Nextera tagmentation reaction in small volumes, replacing costly reagents with cheaper equivalents, and omitting unnecessary steps, we achieve a cost of library preparation of $8 per sample, approximately 6 times cheaper than the standard Nextera XT protocol. Furthermore, our procedure takes less than 5 hours for 96 samples. Several hundred samples can then be pooled on the same HiSeq lane via custom barcodes. Our method will be useful for re-sequencing of microbial or viral genomes, including those from evolution experiments, genetic screens, and environmental samples, as well as for other sequencing applications including large amplicon, open chromosome, artificial chromosomes, and RNA sequencing.

Multicellular organisms have co-evolved with complex consortia of viruses, bacteria, fungi and parasites, collectively referred to as the microbiota1. In mammals, changes in the composition of the microbiota can influence many physiologic processes (including development, metabolism and immune cell function) and are associated with susceptibility to multiple diseases2. Alterations in the microbiota can also modulate host behaviours—such as social activity, stress, and anxiety-related responses—that are linked to diverse neuropsychiatric disorders3. However, the mechanisms by which the microbiota influence neuronal activity and host behaviour remain poorly defined. Here we show that manipulation of the microbiota in antibiotic-treated or germ-free adult mice results in significant deficits in fear extinction learning. Single-nucleus RNA sequencing of the medial prefrontal cortex of the brain revealed significant alterations in gene expression in excitatory neurons, glia and other cell types. Transcranial two-photon imaging showed that deficits in extinction learning after manipulation of the microbiota in adult mice were associated with defective learning-related remodelling of postsynaptic dendritic spines and reduced activity in cue-encoding neurons in the medial prefrontal cortex. In addition, selective re-establishment of the microbiota revealed a limited neonatal developmental window in which microbiota-derived signals can restore normal extinction learning in adulthood. Finally, unbiased metabolomic analysis identified four metabolites that were significantly downregulated in germ-free mice and have been reported to be related to neuropsychiatric disorders in humans and mouse models, suggesting that microbiota-derived compounds may directly affect brain function and behaviour. Together, these data indicate that fear extinction learning requires microbiota-derived signals both during early postnatal neurodevelopment and in adult mice, with implications for our understanding of how diet, infection, and lifestyle influence brain health and subsequent susceptibility to neuropsychiatric disorders. A diverse intestinal microbiota is required for mice to undergo extinction-related neuronal plasticity and normal fear extinction learning.

Genetic circuits in living cells share transcriptional and translational resources that are available in limited amounts. This leads to unexpected couplings among seemingly unconnected modules, which result in poorly predictable circuit behavior. In this study, we determine these interdependencies between products of different genes by characterizing the economy of how transcriptional and translational resources are allocated to the production of proteins in genetic circuits. We discover that, when expressed from the same plasmid, the combinations of attainable protein concentrations are constrained by a linear relationship, which can be interpreted as an isocost line, a concept used in microeconomics. We created a library of circuits with two reporter genes, one constitutive and the other inducible in the same plasmid, without a regulatory path between them. In agreement with the model predictions, experiments reveal that the isocost line rotates when changing the ribosome binding site strength of the inducible gene and shifts when modifying the plasmid copy number. These results demonstrate that isocost lines can be employed to predict how genetic circuits become coupled when sharing resources and provide design guidelines for minimizing the effects of such couplings.

Abstract Identifying gene regulatory targets of nuclear proteins in tissues remains a challenge. Here we describe in tranuclear C ellular I ndexing of T ranscriptomes and E pitopes (inCITE-seq), a scalable method for measuring multiplexed intranuclear protein levels and the transcriptome in parallel in thousands of cells, enabling joint analysis of TF levels and gene expression in vivo . We apply inCITE-seq to characterize cell state-related changes upon pharmacological induction of neuronal activity in the mouse brain. Modeling gene expression as a linear combination of quantitative protein levels revealed the genome-wide effect of each TF and recovered known targets. Cell type-specific genes associated with each TF were co-expressed as distinct modules that each corresponded to positive or negative TF levels, showing that our approach can disentangle relative contributions of TFs to gene expression and add interpretability to gene networks. InCITE-seq can illuminate how combinations of nuclear proteins shape gene expression in native tissue contexts, with direct applications to solid or frozen tissues and clinical specimens.

Abstract Profiling cellular heterogeneity in formalin-fixed paraffin-embedded (FFPE) tissues is key to characterizing clinical specimens for biomarkers, therapeutic targets, and drug responses. Here, we optimize methods for isolating intact nuclei and single nucleus RNA-Seq from FFPE tissues in the mouse brain, and demonstrate a pilot application to a human clinical specimen of lung adenocarcinoma. Our method opens the way to broad applications of snRNA-Seq to archival tissues, including clinical samples.

Neurological injury drives most deaths and morbidity among patients hospitalized for out-of-hospital cardiac arrest (OHCA). Despite its clinical importance, there are no effective pharmacological therapies targeting post–cardiac arrest (CA) neurological injury. Here, we analyzed circulating immune cells from a large cohort of patients with OHCA, finding that lymphopenia independently associated with poor neurological outcomes. Single-cell RNA sequencing of immune cells showed that T cells with features of both innate T cells and natural killer (NK) cells were increased in patients with favorable neurological outcomes. We more specifically identified an early increase in circulating diverse NKT (dNKT) cells in a separate cohort of patients with OHCA who had good neurological outcomes. These cells harbored a diverse T cell receptor repertoire but were consistently specific for sulfatide antigen. In mice, we found that sulfatide-specific dNKT cells trafficked to the brain after CA and resuscitation. In the brains of mice lacking NKT cells ( Cd1d −/− ), we observed increased inflammatory chemokine and cytokine expression and accumulation of macrophages when compared with wild-type mice. Cd1d −/− mice also had increased neuronal injury, neurological dysfunction, and worse mortality after CA. To therapeutically enhance dNKT cell activity, we treated mice with sulfatide lipid after CA, showing that it improved neurological function. Together, these data show that sulfatide-specific dNKT cells are associated with good neurological outcomes after clinical OHCA and are neuroprotective in mice after CA. Strategies to enhance the number or function of dNKT cells may thus represent a treatment approach for CA.

Whole-genome sequencing has become an indispensible tool of modern biology. However, the cost of sample preparation relative to the cost of sequencing remains high, especially for small genomes where the former is dominant. Here we present a protocol for the rapid and inexpensive preparation of hundreds of multiplexed genomic libraries for Illumina sequencing. By carrying out the Nextera tagmentation reaction in small volumes, replacing costly reagents with cheaper equivalents, and omitting unnecessary steps, we achieve a cost of library preparation of $8 per sample, approximately 6 times cheaper than the widely-used Nextera XT protocol. Furthermore, our procedure takes less than 5 hours for 96 samples and uses nanograms of genomic DNA. Many hundreds of samples can then be pooled on the same HiSeq lane via custom barcodes. Our method is especially useful for re-sequencing of large numbers of full microbial or viral genomes, including those from evolution experiments, genetic screens, and environmental samples.

The COVID-19 pandemic, caused by the novel coronavirus SARS-CoV-2, creates an urgent need for identifying molecular mechanisms that mediate viral entry, propagation, and tissue pathology. Cell membrane bound angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) and associated proteases, transmembrane protease serine 2 (TMPRSS2) and Cathepsin L (CTSL), were previously identified as mediators of SARS-CoV2 cellular entry. Here, we assess the cell type-specific RNA expression of ACE2, TMPRSS2, and CTSL through an integrated analysis of 107 single-cell and single-nucleus RNA-Seq studies, including 22 lung and airways datasets (16 unpublished), and 85 datasets from other diverse organs. Joint expression of ACE2 and the accessory proteases identifies specific subsets of respiratory epithelial cells as putative targets of viral infection in the nasal passages, airways, and alveoli. Cells that co-express ACE2 and proteases are also identified in cells from other organs, some of which have been associated with COVID-19 transmission or pathology, including gut enterocytes, corneal epithelial cells, cardiomyocytes, heart pericytes, olfactory sustentacular cells, and renal epithelial cells. Performing the first meta-analyses of scRNA-seq studies, we analyzed 1,176,683 cells from 282 nasal, airway, and lung parenchyma samples from 164 donors spanning fetal, childhood, adult, and elderly age groups, associate increased levels of ACE2, TMPRSS2, and CTSL in specific cell types with increasing age, male gender, and smoking, all of which are epidemiologically linked to COVID-19 susceptibility and outcomes. Notably, there was a particularly low expression of ACE2 in the few young pediatric samples in the analysis. Further analysis reveals a gene expression program shared by ACE2+TMPRSS2+ cells in nasal, lung and gut tissues, including genes that may mediate viral entry, subtend key immune functions, and mediate epithelial-macrophage cross-talk. Amongst these are IL6, its receptor and co-receptor, IL1R, TNF response pathways, and complement genes. Cell type specificity in the lung and airways and smoking effects were conserved in mice. Our analyses suggest that differences in the cell type-specific expression of mediators of SARS-CoV-2 viral entry may be responsible for aspects of COVID-19 epidemiology and clinical course, and point to putative molecular pathways involved in disease susceptibility and pathogenesis.### Competing Interest StatementN.K. was a consultant to Biogen Idec, Boehringer Ingelheim, Third Rock, Pliant, Samumed, NuMedii, Indaloo, Theravance, LifeMax, Three Lake Partners, Optikira and received non-financial support from MiRagen. All of these outside the work reported. J.L. is a scientific consultant for 10X Genomics Inc A.R. is a co-founder and equity holder of Celsius Therapeutics, an equity holder in Immunitas, and an SAB member of ThermoFisher Scientific, Syros Pharmaceuticals, Asimov, and Neogene Therapeutics O.R.R., is a co-inventor on patent applications filed by the Broad Institute to inventions relating to single cell genomics applications, such as in PCT/US2018/060860 and US Provisional Application No. 62/745,259. A.K.S. compensation for consulting and SAB membership from Honeycomb Biotechnologies, Cellarity, Cogen Therapeutics, Orche Bio, and Dahlia Biosciences. S.A.T. was a consultant at Genentech, Biogen and Roche in the last three years. F.J.T. reports receiving consulting fees from Roche Diagnostics GmbH, and ownership interest in Cellarity Inc. L.V. is funder of Definigen and Bilitech two biotech companies using hPSCs and organoid for disease modelling and cell based therapy.