The ability to slow or reverse biological ageing would have major implications for mitigating disease risk and maintaining vitality1. Although an increasing number of interventions show promise for rejuvenation2, their effectiveness on disparate cell types across the body and the molecular pathways susceptible to rejuvenation remain largely unexplored. Here we performed single-cell RNA sequencing on 20 organs to reveal cell-type-specific responses to young and aged blood in heterochronic parabiosis. Adipose mesenchymal stromal cells, haematopoietic stem cells and hepatocytes are among those cell types that are especially responsive. On the pathway level, young blood invokes new gene sets in addition to reversing established ageing patterns, with the global rescue of genes encoding electron transport chain subunits pinpointing a prominent role of mitochondrial function in parabiosis-mediated rejuvenation. We observed an almost universal loss of gene expression with age that is largely mimicked by parabiosis: aged blood reduces global gene expression, and young blood restores it in select cell types. Together, these data lay the groundwork for a systemic understanding of the interplay between blood-borne factors and cellular integrity.

ABSTRACT Mouse lemurs are the smallest, fastest reproducing, and among the most abundant primates, and an emerging model organism for primate biology, behavior, health and conservation. Although much has been learned about their physiology and their Madagascar ecology and phylogeny, little is known about their cellular and molecular biology. Here we used droplet- and plate-based single cell RNA-sequencing to profile 226,000 cells from 27 mouse lemur organs and tissues opportunistically procured from four donors clinically and histologically characterized. Using computational cell clustering, integration, and expert cell annotation, we defined and biologically organized over 750 mouse lemur molecular cell types and their full gene expression profiles. These include cognates of most classical human cell types, including stem and progenitor cells, and the developmental programs for spermatogenesis, hematopoiesis, and other adult tissues. We also described dozens of previously unidentified or sparsely characterized cell types and subtypes. We globally compared cell type expression profiles to define the molecular relationships of cell types across the body, and explored primate cell type evolution by comparing mouse lemur cell profiles to those of the homologous cells in human and mouse. This revealed cell type specific patterns of primate cell specialization even within a single tissue compartment, as well as many cell types for which lemur provides a better human model than mouse. The atlas provides a cellular and molecular foundation for studying this primate model organism, and establishes a general approach for other emerging model organisms.

Abstract Since Next-Generation Sequencing produces reads uniformly subsampled from an input library, highly abundant sequences may mask interesting low abundance sequences. The DASH (Depleting Abundant Sequences by Hybridization) technique takes advantage of the programmability of CRISPR/Cas9 to deplete unwanted high-abundance sequences. Because desired depletion targets vary by sample type, here we describe DASHit, software that outputs an optimal DASH target set given a sequencing dataset, an updated DASH protocol, and show depletion results with DASHit-designed targets for three different species.

The Tabula Muris Consortium We have created a compendium of single cell transcriptome data from the model organism Mus musculus comprising more than 100,000 cells from 20 organs and tissues. These data represent a new resource for cell biology, revealing gene expression in poorly characterized cell populations and allowing for direct and controlled comparison of gene expression in cell types shared between tissues, such as T-lymphocytes and endothelial cells from distinct anatomical locations. Two distinct technical approaches were used for most tissues: one approach, microfluidic droplet-based 3’-end counting, enabled the survey of thousands of cells at relatively low coverage, while the other, FACS-based full length transcript analysis, enabled characterization of cell types with high sensitivity and coverage. The cumulative data provide the foundation for an atlas of transcriptomic cell biology.

The growing prevalence of deadly microbes with resistance to previously life-saving drug therapies is a dire threat to human health. Detection of low abundance pathogen sequences remains a challenge for metagenomic Next Generation Sequencing (NGS). We introduce FLASH (Finding Low Abundance Sequences by Hybridization), a next-generation CRISPR/Cas9 diagnostic method that takes advantage of the efficiency, specificity and flexibility of Cas9 to enrich for a programmed set of sequences. FLASH-NGS achieves up to 5 orders of magnitude of enrichment and sub-attomolar gene detection with minimal background. We provide an open-source software tool (FLASHit) for guide RNA design. Here we applied it to detection of antimicrobial resistance genes in respiratory fluid and dried blood spots, but FLASH-NGS is applicable to all areas that rely on multiplex PCR.

Background Since 2014, the United States has experienced a biennial spike in pediatric acute flaccid myelitis (AFM). Epidemiologic evidence suggests non-polio enteroviruses (EVs) are a potential etiology, yet EV RNA is rarely detected in cerebrospinal fluid (CSF) and only inconsistently identified from the respiratory tract, serum, or stool.Methods We interrogated CSF from children with AFM (n=42) and pediatric controls with other neurologic diseases (OND) (n=58). Samples were incubated with T7 bacteriophage expressing 481,966 sixty-two amino acid peptides with a fourteen amino acid overlap tiled across all known vertebrate virus and arbovirus genomes, an adaption of the VirScan method. Antibody-bound phage were deep sequenced to quantify enriched peptides with normalized counts expressed as reads per hundred thousand (rpK). EV antibody findings were confirmed with ELISA using whole viral protein 1 (VP1) from contemporary enterovirus (EV) A71 and D68 strains. Separately, metagenomic next-generation sequencing (mNGS) of CSF RNA, both unbiased and with targeted enrichment for EVs, was performed.Results The most significantly enriched viral family by VirScan of CSF in AFM versus OND controls was Picornaviridae (mean rpK 11,266 versus mean rpK 950, p-adjusted < 0.001, Wilcoxon signed-rank test with Bonferroni adjustment). Enriched Picornaviridae peptides belonged almost entirely to the genus Enterovirus. The mean EV VP1 ELISA signal in AFM (mean OD 0.51) was significantly higher than OND controls (mean OD 0.08, p-value < 0.001, Mann-Whitney test). mNGS did not detect additional enterovirus RNA in CSF.Conclusion Despite the rare detection of EV RNA in the CNS of patients with AFM, a pan-viral serologic assay identified high levels of CSF EV antibodies in AFM CSF compared to CSF from OND controls. These results provide further evidence for a causal role of non-polio enteroviruses in AFM.

Whole-genome sequencing (WGS) is becoming increasingly useful to study the biology, epidemiology, and ecology of malaria parasites. Despite ease of sampling, DNA extracted from dried blood spots (DBS) has a high ratio of human DNA compared to parasite DNA, which poses a challenge for downstream genetic analyses. We evaluated the effects of multiple methods for DNA extraction, digestion of methylated DNA, and amplification on the quality and fidelity of WGS data recovered from DBS. At 100 parasites/μL, Chelex-Tween-McrBC samples had higher coverage (5X depth = 93% genome) than QIAamp extracted samples (5X depth = 76% genome). The two evaluated sWGA primer sets showed minor differences in overall genome coverage and SNP concordance, with a newly proposed combination of 20 primers showing a modest improvement in coverage over those previously published. Overall, Tween-Chelex extracted samples that were treated with McrBC digestion and are amplified using 6A10AD sWGA conditions had minimal dropout rate, higher percentages of coverage at higher depth, and more accurate SNP concordance than QiaAMP extracted samples. These findings extend the results of previously reported methods, making whole genome sequencing accessible to a larger number of low density samples that are commonly encountered in cross-sectional surveys.

Background Transfusion-related sepsis remains an important hospital infection control challenge. Investigating septic transfusion events is often restricted by the limitations of bacterial culture in terms of time requirements and low yield in the setting of prior antibiotic administration.Methods In three Gram-negative septic transfusion cases, we performed mNGS of direct clinical blood specimens in addition to standard culture-based approaches utilized for infection control investigations. Pathogen detection leveraged IDSeq, a new open-access microbial bioinformatics portal. Phylogenetic analysis was performed to assess microbial genetic relatedness and understand transmission events.Results mNGS of direct clinical blood specimens afforded precision detection of pathogens responsible for each case of transfusion-related sepsis, and enabled discovery of a novel Acinetobacter species in a platelet product that had become contaminated despite photochemical pathogen reduction. In each case, longitudinal assessment of pathogen burden elucidated the temporal sequence of events associated with each transfusion-transmitted infection. We found that informative data could be obtained from culture-independent mNGS of residual platelet products and leftover blood specimens that were either unsuitable or unavailable for culture, or that failed to grow due to prior antibiotic administration. We additionally developed methods to enhance accuracy for detecting transfusion-associated pathogens sharing taxonomic similarity to contaminants commonly found in mNGS library preparations.Conclusions Culture-independent mNGS of blood products afforded rapid and precise assessment of pathogen identity, abundance and genetic relatedness. Together, these challenging cases demonstrated the potential for metagenomics to advance existing methods for investigating transfusion-transmitted infections.

The conducting airway forms a protective mucosal barrier and is the primary target of airway disorders. To better understand how airway developmental programs are established to support air breathing and barrier functions, we constructed a single-cell atlas of the human and mouse developing trachea. In this study, we uncover hitherto unrecognized heterogeneity of cell states with distinct differentiation programs and immune features of the developing airway. In addition, we find ubiquitous expression of CFTR and ANO1/TMEM16A chloride channels in the embryonic airway epithelium. We show that genetic inactivation of TMEM16A leads to airway defects commonly seen in cystic fibrosis patients with deficient CFTR, alters the differentiation trajectory of airway basal progenitors, and results in mucus cell hyperplasia and aberrant epithelial antimicrobial expression. Together, our study illuminates conserved developmental features of the mammalian airway and implicates chloride homeostasis as a key player in regulating mucosal barrier formation and function relevant to early onset airway diseases.

Lung cancer, the leading cause of cancer mortality, exhibits heterogeneity that enables adaptability, limits therapeutic success, and remains incompletely understood. Single-cell RNA sequencing (scRNAseq) of metastatic lung cancer was performed using 44 tumor biopsies obtained longitudinally from 27 patients before and during targeted therapy. Over 20,000 cancer and tumor microenvironment (TME) single-cell profiles exposed a rich and dynamic tumor ecosystem. scRNAseq of cancer cells illuminated targetable oncogenes beyond those detected clinically. Cancer cells surviving therapy as residual disease (RD) expressed an alveolar-regenerative cell signature suggesting a therapy-induced primitive cell state transition, whereas those present at on-therapy progressive disease (PD) upregulated kynurenine, plasminogen, and gap junction pathways. Active T-lymphocytes and decreased macrophages were present at RD and immunosuppressive cell states characterized PD. Biological features revealed by scRNAseq were biomarkers of clinical outcomes in independent cohorts. This study highlights how therapy-induced adaptation of the multi-cellular ecosystem of metastatic cancer shapes clinical outcomes.