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.

The gut microbiome is a key modulator of immune and metabolic health. Human microbiome data is biased towards industrialized populations, providing limited understanding of the distinct and diverse non-industrialized microbiomes. Here, we performed ultra-deep metagenomic sequencing and strain cultivation on 351 fecal samples from the Hadza, hunter-gatherers in Tanzania, and comparative populations in Nepal and California. We recover 94,971 total genomes of bacteria, archaea, bacteriophages, and eukaryotes, 43% of which are absent from existing unified datasets. Analysis of in situ growth rates, genetic pN/pS signatures, high-resolution strain tracking, and 124 gut-resident species vanishing in industrialized populations reveals differentiating dynamics of the Hadza gut microbiome. Industrialized gut microbes are enriched in genes associated with oxidative stress, possibly a result of microbiome adaptation to inflammatory processes. This unparalleled view of the Hadza gut microbiome provides a valuable resource that expands our understanding of microbes capable of colonizing the human gut and clarifies the extensive perturbation brought on by the industrialized lifestyle.

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 The ability to interrogate total RNA content of single cells would enable better mapping of the transcriptional logic behind emerging cell types and states. However, current RNA-seq methods are unable to simultaneously monitor both short and long, poly(A)+ and poly(A)-transcripts at the single-cell level, and thus deliver only a partial snapshot of the cellular RNAome. Here, we describe Smart-seq-total, a method capable of assaying a broad spectrum of coding and non-coding RNA from a single cell. Built upon the template-switch mechanism, Smart-seq-total bears the key feature of its predecessor, Smart-seq2, namely, the ability to capture full-length transcripts with high yield and quality. It also outperforms current poly(A)–independent total RNA-seq protocols by capturing transcripts of a broad size range, thus, allowing us to simultaneously analyze protein-coding, long non-coding, microRNA and other non-coding RNA transcripts from single cells. We used Smart-seq-total to analyze the total RNAome of human primary fibroblasts, HEK293T and MCF7 cells as well as that of induced murine embryonic stem cells differentiated into embryoid bodies. We show that simultaneous measurement of non-coding RNA and mRNA from the same cell enables elucidation of new roles of non-coding RNA throughout essential processes such as cell cycle or lineage commitment. Moreover, we show that cell types can be distinguished based on the abundance of non-coding transcripts alone.

Abstract We identify a mutation in the N gene of SARS-CoV-2 that adversely affects annealing of a commonly used RT-PCR primer; epidemiologic evidence suggests the virus retains pathogenicity and competence for spread. This reinforces the importance of using multiple targets, preferably in at least 2 genes, for robust SARS-CoV-2 detection. Article Summary Line A SARS-CoV-2 variant that occurs worldwide and has spread in California significantly affects diagnostic sensitivity of an N gene assay, highlighting the need to employ multiple viral targets for detection.

Abstract Molecular studies of genome regulation often rely on the ability to map where specific proteins interact with genomic DNA. Existing techniques for mapping protein-DNA interactions genome-wide rely on DNA amplification methods followed by sequencing with short reads, which dissociates joint binding information at neighboring sites, removes endogenous DNA methylation information, and precludes the ability to reliably map interactions in repetitive regions of the genome. To address these limitations, we created a new protein-DNA mapping method, called D irected M ethylation with L ong-read seq uencing (DiMeLo-seq), which methylates DNA near each target protein’s DNA binding site in situ , then leverages the ability to distinguish methylated and unmethylated bases on long, native DNA molecules using long-read, single-molecule sequencing technologies. We demonstrate the optimization and utility of this method by mapping the interaction sites of a variety of different proteins and histone modifications across the human genome, achieving a single-molecule binding site resolution of less than 200 bp. Furthermore, we mapped the positions of the centromeric histone H3 variant CENP-A in repetitive regions that are unmappable with short reads, while simultaneously analyzing endogenous CpG methylation and joint binding events on single molecules. DiMeLo-seq is a versatile method that can provide multimodal and truly genome-wide information for investigating protein-DNA interactions.

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.

ABSTRACT Efforts to model the gut microbiome have yielded important insights into the mechanisms of interspecies interactions, the impact of priority effects on ecosystem dynamics, and the role of diet and nutrient availability in determining community composition. However, the model communities studied to date have been defined or complex but not both, limiting their utility. Here, we construct a defined community of 104 bacterial strains composed of the most common taxa from the human gut microbiota. By propagating this community in growth media missing one amino acid at a time, we show that branched-chain amino acids have an outsize impact on community structure and identify a pathway in Clostridium sporogenes for generating ATP from arginine. We constructed and propagated the complete set of single-strain dropout communities, revealing a sparse network of strain-strain interactions including a novel interaction between C. sporogenes and Lactococcus lactis driven by metabolism. This work forms a foundation for studying strain-strain and strain-nutrient interactions in highly complex defined communities, and it provides a starting point for interrogating the rules of synthetic ecology at the 100+ strain scale.

ABSTRACT Efforts to model the human gut microbiome in mice have led to important insights into the mechanisms of host-microbe interactions. However, the model communities studied to date have been defined or complex but not both, limiting their utility. In accompanying work, we constructed a complex synthetic community (104 strains, hCom1) containing the most common taxa in the human gut microbiome. Here, we used an iterative experimental process to improve hCom1 by filling open metabolic and/or anatomical niches. When we colonized germ-free mice with hCom1 and then challenged it with a human fecal sample, the consortium exhibited surprising stability; 89% of the cells and 58% of the taxa derive from the original community, and the pre- and post-challenge communities share a similar overall structure. We used these data to construct a second version of the community, adding 22 strains that engrafted following fecal challenge and omitting 7 that dropped out (119 strains, hCom2). In gnotobiotic mice, hCom2 exhibited increased stability to fecal challenge and robust colonization resistance against pathogenic Escherichia coli . Mice colonized by hCom2 versus human feces are similar in terms of microbiota-derived metabolites, immune cell profile, and bacterial density in the gut, suggesting that this consortium is a prototype of a model system for the human gut microbiome.

Summary Mechanistic understanding of the impacts of the gut microbiota on human health has been hampered by limited throughput in animal models. To enable systematic interrogation of gut-relevant microbial communities, here we generated hundreds of in vitro communities cultured from diverse stool samples in various media. Species composition revealed stool-derived communities that are phylogenetically complex, diverse, stable, and highly reproducible. Community membership depended on both medium and initial inoculum, with certain media preserving inoculum compositions. Different inocula yielded different community compositions, indicating their potential for personalized therapeutics. Communities were robust to freezing and large-volume culturing, enabling future translational applications. Defined communities were generated from isolates and reconstituted growth and composition similar to those of communities derived from stool inocula. Finally, in vitro experiments probing the response to ciprofloxacin successfully predicted many changes observed in vivo , including the resilience and sensitivity of each Bacteroides species. Thus, stool-derived in vitro communities constitute a powerful resource for microbiota research.