Purpose: CT screening can reduce death from lung cancer. We sought to improve the diagnostic accuracy of lung cancer screening using ultrasensitive methods and a lung cancer-specific gene panel to detect DNA methylation in sputum and plasma.Experimental Design: This is a case-control study of subjects with suspicious nodules on CT imaging. Plasma and sputum were obtained preoperatively. Cases (n = 150) had pathologic confirmation of node-negative (stages I and IIA) non-small cell lung cancer. Controls (n = 60) had non-cancer diagnoses. We detected promoter methylation using quantitative methylation-specific real-time PCR and methylation-on-beads for cancer-specific genes (SOX17, TAC1, HOXA7, CDO1, HOXA9, and ZFP42).Results: DNA methylation was detected in plasma and sputum more frequently in people with cancer compared with controls (P < 0.001) for five of six genes. The sensitivity and specificity for lung cancer diagnosis using the best individual genes was 63% to 86% and 75% to 92% in sputum, respectively, and 65% to 76% and 74% to 84% in plasma, respectively. A three-gene combination of the best individual genes has sensitivity and specificity of 98% and 71% using sputum and 93% and 62% using plasma. Area under the receiver operating curve for this panel was 0.89 [95% confidence interval (CI), 0.80-0.98] in sputum and 0.77 (95% CI, 0.68-0.86) in plasma. Independent blinded random forest prediction models combining gene methylation with clinical information correctly predicted lung cancer in 91% of subjects using sputum detection and 85% of subjects using plasma detection.Conclusions: High diagnostic accuracy for early-stage lung cancer can be obtained using methylated promoter detection in sputum or plasma. Clin Cancer Res; 23(8); 1998-2005. ©2016 AACR.

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 The human brain vasculature is of vast medical importance: its dysfunction causes disability and death, and the specialized structure it forms—the blood-brain barrier—impedes treatment of nearly all brain disorders. Yet, no molecular atlas of the human brain vasculature exists. Here, we develop Vessel Isolation and Nuclei Extraction for Sequencing (VINE-seq) to profile the major human brain vascular and perivascular cell types through 143,793 single-nucleus transcriptomes from 25 hippocampus and cortex samples of 17 control and Alzheimer’s disease (AD) patients. We identify brain region-enriched pathways and genes divergent between humans and mice, including those involved in disease. We describe the principles of human arteriovenous organization, recapitulating a gradual endothelial and punctuated mural cell continuum; but discover that many zonation and cell-type markers differ between species. We discover two subtypes of human pericytes, marked by solute transport and extracellular matrix (ECM) organization; and define perivascular versus meningeal fibroblast specialization. In AD, we observe a selective vulnerability of ECM-maintaining pericytes and gene expression patterns implicating dysregulated blood flow. With an expanded survey of brain cell types, we find that 30 of the top 45 AD GWAS genes are expressed in the human brain vasculature, confirmed in situ . Vascular GWAS genes map to endothelial protein transport, adaptive immune, and ECM pathways. Many are microglia-specific in mice, suggesting an evolutionary transfer of AD risk to human vascular cells. Our work unravels the molecular basis of the human brain vasculature, informing our understanding of overall brain health, disease, and therapy.

ABSTRACT Secreted polypeptides are a fundamental biochemical axis of intercellular and endocrine communication. However, a global understanding of composition and dynamics of cellular secretomes in intact mammalian organisms has been lacking. Here, we introduce a proximity biotinylation strategy that enables labeling, detection, and enrichment of secreted polypeptides in a cell type-selective manner in mice. We generate a proteomic atlas of hepatocyte, myocyte, pericyte, and myeloid cell secretomes by direct purification of biotinylated secreted polypeptides from blood. Our secretome atlas validates known cell type-protein pairs, reveals secreted polypeptides that distinguish between cell types, and identifies new cellular sources for classical plasma proteins. Lastly, we uncover a dynamic and previously undescribed nutrient-dependent reprogramming of the hepatocyte secretome characterized by increased unconventional secretion of the cytosolic enzyme BHMT. This secretome profiling strategy enables dynamic and cell-type dissection of the plasma proteome and the secreted polypeptides that mediate intercellular signaling.

Abstract DNA-methylation profiles have been used successfully to develop highly accurate biomarkers of age, epigenetic clocks, for many species. Using a custom methylation array, we generated DNA methylation data from n=238 porcine tissues including blood, bladder, frontal cortex, kidney, liver and lung, from domestic pigs ( Sus scrofa domesticus ) and minipigs (Wisconsin Miniature Swine™). We present 4 epigenetic clocks for pigs that are distinguished by their compatibility with tissue type (pan-tissue and blood clock) and species (pig and human). Two dual-species human-pig pan-tissue clocks accurately measure chronological age and relative age, respectively. We also characterized CpGs that differ between minipigs and domestic pigs. Strikingly, several genes implicated by our epigenetic studies of minipig status overlap with genes ( ADCY3, TFAP2B, SKOR1 , and GPR61 ) implicated by genetic studies of body mass index in humans. In addition, CpGs with different levels of methylation between the two pig breeds were identified proximal to genes involved in blood LDL levels and cholesterol synthesis, of particular interest given the minipig’s increased susceptibility to cardiovascular disease compared to domestic pigs. Thus, inbred differences of domestic and minipigs may potentially help to identify biological mechanisms underlying weight gain and aging-associated diseases. Our porcine clocks are expected to be useful for elucidating the role of epigenetics in aging and obesity, and the testing of anti-aging interventions.

Brain endothelial cells (BECs) are key elements of the blood-brain barrier (BBB), protecting the brain from pathogens and restricting access to circulatory factors. Recent studies have demonstrated that the circulatory environment can modulate brain aging, yet, the underlying processes remain largely unknown. Given the BBB's intermediary position, we hypothesized that BECs sense, adapt to, and relay signals between the aging blood and brain. We sequenced single endothelial cells from the hippocampus-a brain region key to learning, memory, and neurogenesis- of healthy young and aged mice as well as post-exposure to inflammatory and age-related circulatory factors. We discovered that aged capillary BECs, compared with arterial and venous cells, exhibit the greatest transcriptional changes, upregulating innate immunity, antigen presentation, TGF-beta signaling and oxidative stress response pathways. Remarkably, short-term infusions of aged plasma into young mice recapitulated key aspects of this aging transcriptome, while infusions of young plasma into aged mice reversed select aging signatures, essentially rejuvenating the BBB endothelium transcriptome. We identify candidate pathways mediating blood-borne brain rejuvenation by comparing age-upregulated genes with those modulated by plasma exposure. Together, these findings suggest that the transcriptional age of BECs is exquisitely sensitive to age-related circulatory cues and pinpoint the BBB itself as a promising therapeutic target to treat brain disease.

The rapid emergence of antibiotic-resistant infections is prompting increased interest in phage-based antimicrobials. However, acquisition of resistance by bacteria is a major issue in the successful development of phage therapies. Through natural evolution and structural modeling, we identified host-range determining regions (HRDR) in the T3 phage tail fiber protein and developed a high-throughput strategy to genetically engineer these regions through site-directed mutagenesis. Inspired by antibody specificity engineering, this approach generates deep functional diversity (>107 different members), while minimizing disruptions to the overall protein structure, resulting in synthetic ′phagebodies′. We showed that mutating HRDRs yields phagebodies with altered host-ranges. Select phagebodies enable long-term suppression of bacterial growth by preventing the appearance of resistance in vitro and are functional in vivo using a mouse skin infection model. We anticipate this approach may facilitate the creation of next-generation antimicrobials that slow resistance development and could be extended to other viral scaffolds for a broad range of applications.

Abstract Single-cell genomics is a powerful tool for studying heterogeneous tissues such as the brain. Yet, little is understood about how genetic variants influence cell-level gene expression. Addressing this, we uniformly processed single-nuclei, multi-omics datasets into a resource comprising >2.8M nuclei from the prefrontal cortex across 388 individuals. For 28 cell types, we assessed population-level variation in expression and chromatin across gene families and drug targets. We identified >550K cell-type-specific regulatory elements and >1.4M single-cell expression-quantitative-trait loci, which we used to build cell-type regulatory and cell-to-cell communication networks. These networks manifest cellular changes in aging and neuropsychiatric disorders. We further constructed an integrative model accurately imputing single-cell expression and simulating perturbations; the model prioritized ∼250 disease-risk genes and drug targets with associated cell types. Summary Figure