Acute physical activity leads to several changes in metabolic, cardiovascular, and immune pathways. Although studies have examined selected changes in these pathways, the system-wide molecular response to an acute bout of exercise has not been fully characterized. We performed longitudinal multi-omic profiling of plasma and peripheral blood mononuclear cells including metabolome, lipidome, immunome, proteome, and transcriptome from 36 well-characterized volunteers, before and after a controlled bout of symptom-limited exercise. Time-series analysis revealed thousands of molecular changes and an orchestrated choreography of biological processes involving energy metabolism, oxidative stress, inflammation, tissue repair, and growth factor response, as well as regulatory pathways. Most of these processes were dampened and some were reversed in insulin-resistant participants. Finally, we discovered biological pathways involved in cardiopulmonary exercise response and developed prediction models revealing potential resting blood-based biomarkers of peak oxygen consumption.

In familial pulmonary arterial hypertension (FPAH), the autosomal dominant disease-causing BMPR2 mutation is only 20% penetrant, suggesting that genetic variation provides modifiers that alleviate the disease. Here, we used comparison of induced pluripotent stem cell-derived endothelial cells (iPSC-ECs) from three families with unaffected mutation carriers (UMCs), FPAH patients, and gender-matched controls to investigate this variation. Our analysis identified features of UMC iPSC-ECs related to modifiers of BMPR2 signaling or to differentially expressed genes. FPAH-iPSC-ECs showed reduced adhesion, survival, migration, and angiogenesis compared to UMC-iPSC-ECs and control cells. The "rescued" phenotype of UMC cells was related to an increase in specific BMPR2 activators and/or a reduction in inhibitors, and the improved cell adhesion could be attributed to preservation of related signaling. The improved survival was related to increased BIRC3 and was independent of BMPR2. Our findings therefore highlight protective modifiers for FPAH that could help inform development of future treatment strategies.

Abstract Physiologic laminar shear stress (LSS) induces an endothelial gene expression profile that is vasculo-protective. In this report, we delineate how LSS mediates changes in the epigenetic landscape to promote this beneficial response. We show that under LSS, KLF4 interacts with the SWI/SNF nucleosome remodeling complex to increase accessibility at enhancer sites that promote expression of homeostatic endothelial genes. By combining molecular and computational approaches we discovered enhancers that loop to promoters of known and novel KLF4- and LSS-responsive genes that stabilize endothelial cells and suppress inflammation, such as BMPR2 and DUSP5 . By linking enhancers to genes that they regulate under physiologic LSS, our work establishes a foundation for interpreting how non-coding DNA variants in these regions might disrupt protective gene expression to influence vascular disease.

ABSTRACT Neutrophil elastase (NE) is implicated in pulmonary arterial hypertension (PAH) but the role of neutrophils in the pathogenesis of PAH is unclear. Here we show that neutrophils from PAH vs. control subjects produce and release increased NE associated with enhanced extracellular trap formation. PAH neutrophils are highly adherent and show decreased migration consistent with increased vinculin, identified on proteomic analysis and previously linked to an antiviral response. This was substantiated by a transcriptomic interferon signature in PAH neutrophils and an increase in human endogenous retrovirus (HERV-K) envelope protein. NE and interferon genes are induced by HERV-K envelope and vinculin is increased by HERV-K dUTPase that is elevated in PAH plasma. Neutrophil exosomes from PAH plasma contain increased NE and HERV-K envelope and induce pulmonary hypertension in mice, that is mitigated by the NE inhibitor and antiviral agent, elafin. Thus, elevated HERVs explain pathological neutrophils linked to PAH induction and progression.

ABSTRACT Pathological high shear stress (HSS, 100 dyn/cm 2 ) is generated in distal pulmonary arteries (PA) (100-500 μm) in congenital heart defects and in progressive PA hypertension (PAH) with inward remodeling and luminal narrowing. Human PA endothelial cells (PAEC) were subjected to HSS versus physiologic laminar shear stress (LSS, 15 dyn/cm 2 ). Endothelial-mesenchymal transition (EndMT), a feature of PAH not previously attributed to HSS, was observed. H3K27ac peaks containing motifs for an ETS-family transcription factor (ERG) were reduced, as was ERG-Krüppel-like factors (KLF)2/4 interaction and ERG expression. Reducing ERG by siRNA in PAEC during LSS caused EndMT; transfection of ERG in PAEC under HSS prevented EndMT. An aorto-caval shunt was preformed in mice to induce HSS and progressive PAH. Elevated PA pressure, EndMT and vascular remodeling were reduced by an adeno-associated vector that selectively replenished ERG in PAEC. Agents maintaining ERG in PAEC should overcome the adverse effect of HSS on progressive PAH.

Summary Neutrophils are the most abundant white blood cells in humans and constitute one of the first lines of defense in the innate immune response. Neutrophils are extremely short-lived cells, which survive less than a day after reaching terminal differentiation. Thus, little is known about how organismal aging, rather than the daily cellular aging process, may impact neutrophil biology. In addition, accumulating evidence suggests that both immunity and organismal aging are sex-dimorphic. Here, we describe a multi-omic resource of mouse primary bone marrow neutrophils from young and old female and male mice, at the transcriptomic, metabolomic and lipidomic levels. Importantly, we identify widespread age-related and sex-dimorphic regulation of ‘omics’ in neutrophils, specifically regulation of chromatin. Using machine-learning, we identify candidate molecular drivers of age-related and sex-dimorphic transcriptional regulation of neutrophils. We leverage our resource to predict increased levels/release of neutrophil elastase in male mice. To date, this dataset represents the largest multi-omics resource for the study of neutrophils across biological sex and ages. This resource identifies molecular states linked to neutrophil characteristics linked to organismal age or sex, which could be targeted to improve immune responses across individuals.

ABSTRACT Our understanding of protective vs. pathologic immune responses to SARS-CoV-2, the virus that causes Coronavirus disease 2019 (COVID-19), is limited by inadequate profiling of patients at the extremes of the disease severity spectrum. Here, we performed multi-omic single-cell immune profiling of 64 COVID-19 patients across the full range of disease severity, from outpatients with mild disease to fatal cases. Our transcriptomic, epigenomic, and proteomic analyses reveal widespread dysfunction of peripheral innate immunity in severe and fatal COVID-19, with the most profound disturbances including a prominent neutrophil hyperactivation signature and monocytes with anti-inflammatory features. We further demonstrate that emergency myelopoiesis is a prominent feature of fatal COVID-19. Collectively, our results reveal disease severity-associated immune phenotypes in COVID-19 and identify pathogenesis-associated pathways that are potential targets for therapeutic intervention. One Sentence Summary Single-cell profiling demonstrates multifarious dysregulation of innate immune phenotype associated with COVID-19 severity.

Exercise testing is routinely used in clinical practice to assess fitness - a strong predictor of survival - as well as causes of exercise limitations. While these studies often focus on cardiopulmonary response and selected molecular pathways, the dynamic system-wide molecular response to exercise has not been fully characterized. We performed a longitudinal multi-omic profiling of plasma and peripheral blood mononuclear cells including transcriptome, immunome, proteome, metabolome and lipidome in 36 well-characterized volunteers before and after a controlled bout of acute exercise (2, 15, 30 min and 1 hour in recovery). Integrative analysis revealed an orchestrated choreography of biological processes across key tissues. Most of these processes were dampened in insulin resistant participants. Finally, we discovered biological pathways involved in exercise capacity and developed prediction models revealing potential resting blood-based biomarkers of fitness.