Abstract Methylation patterns of circulating cell-free DNA (cfDNA) contain rich information about recent cell death events in the body. Here, we present an approach for unbiased determination of the tissue origins of cfDNA, using a reference methylation atlas of 25 human tissues and cell types. The method is validated using in silico simulations as well as in vitro mixes of DNA from different tissue sources at known proportions. We show that plasma cfDNA of healthy donors originates from white blood cells (55%), erythrocyte progenitors (30%), vascular endothelial cells (10%) and hepatocytes (1%). Deconvolution of cfDNA from patients reveals tissue contributions that agree with clinical findings in sepsis, islet transplantation, cancer of the colon, lung, breast and prostate, and cancer of unknown primary. We propose a procedure which can be easily adapted to study the cellular contributors to cfDNA in many settings, opening a broad window into healthy and pathologic human tissue dynamics.

Abstract DNA methylation is a fundamental epigenetic mark that governs gene expression and chromatin organization, thus providing a window into cellular identity and developmental processes 1 . Current datasets typically include only a fraction of methylation sites and are often based either on cell lines that underwent massive changes in culture or on tissues containing unspecified mixtures of cells 2–5 . Here we describe a human methylome atlas, based on deep whole-genome bisulfite sequencing, allowing fragment-level analysis across thousands of unique markers for 39 cell types sorted from 205 healthy tissue samples. Replicates of the same cell type are more than 99.5% identical, demonstrating the robustness of cell identity programmes to environmental perturbation. Unsupervised clustering of the atlas recapitulates key elements of tissue ontogeny and identifies methylation patterns retained since embryonic development. Loci uniquely unmethylated in an individual cell type often reside in transcriptional enhancers and contain DNA binding sites for tissue-specific transcriptional regulators. Uniquely hypermethylated loci are rare and are enriched for CpG islands, Polycomb targets and CTCF binding sites, suggesting a new role in shaping cell-type-specific chromatin looping. The atlas provides an essential resource for study of gene regulation and disease-associated genetic variants, and a wealth of potential tissue-specific biomarkers for use in liquid biopsies.

Abstract DNA methylation is a fundamental epigenetic mark that governs chromatin organization, cell identity, and gene expression. Here we describe a human methylome atlas, based on deep whole-genome bisulfite sequencing allowing fragment-level analysis across thousands of unique markers for 39 cell types sorted from 207 healthy tissue samples. Replicates of the same cell-type are >99.5% identical, demonstrating robustness of cell identity programs to genetic variation and environmental perturbation. Unsupervised clustering of the atlas recapitulates key elements of tissue ontogeny, and identifies methylation patterns retained since gastrulation. Loci uniquely unmethylated in an individual cell type often reside in transcriptional enhancers and contain DNA binding sites for tissue-specific transcriptional regulators. Uniquely hyper-methylated loci are rare and are enriched for CpG islands, polycomb targets, and CTCF binding sites, suggesting a novel role in shaping cell type-specific chromatin looping. The atlas provides an essential resource for interpretation of disease-associated genetic variants, and a wealth of potential tissue-specific biomarkers for use in liquid biopsies. Summary paragraph DNA methylation, a fundamental epigenetic mark, governs chromatin organization and gene expression 1 , thus defining the molecular identity of cells and providing a window into developmental processes with wide-ranging physiologic and clinical ramifications. Current DNA methylation datasets have limitations, typically including only a fraction of methylation sites, many from cell lines that underwent massive changes in culture or from tissues containing unspecified mixtures of cells 2–6 . We present a human methylome atlas based on deep whole-genome bisulfite sequencing of 39 sorted, primary cell types and use this dataset to address fundamental questions in developmental biology, physiology and pathology. Biological replicates are >99.5% identical, demonstrating unappreciated robustness to genetic variation and environmental perturbations. Clustering recapitulates key elements of tissue ontogeny, identifying methylation patterns retained since gastrulation. Loci uniquely unmethylated in individual cell types identify novel transcriptional enhancers and are enriched for tissue-specific transcription factors binding motifs. In contrast, loci uniquely hyper-methylated in specific cell types are rare, enriched for CpG islands and polycomb targets, and overlap CTCF binding sites, suggesting a novel role in shaping cell-type-specific chromatin looping. Finally, the atlas facilitates fragment-level deconvolution of tissue and plasma methylomes across thousands of cell-type specific regions to quantify their individual components at unprecedented resolution. The human cell-type-specific methylation atlas provides an essential resource for studying gene regulation by defining cell-type-specific distal enhancers and regulators of 3D organization, for identifying pathological changes in DNA methylation, and for the interpretation of methylation-based liquid biopsies. A deep methylation atlas of 39 human cell types, sorted from healthy samples Methylomes record developmental history of cells Thousands of novel cell type-specific methylation markers Hypo-methylation uncovers cell type-specific regulatory map of distal enhancers Hyper-methylation across CTCF sites Cell type-specific biomarkers facilitate fragment-level deconvolution of tissues and cfDNA

Abstract The full spectrum of tissues affected by SARS-CoV-2 infection is crucial for deciphering the heterogenous clinical course of COVID-19. Here, we analyzed DNA methylation and histone modification patterns in circulating chromatin to assess cell type-specific turnover in severe and asymptomatic COVID-19 patients, in relation to clinical outcome. Patients with severe COVID-19 had a massive elevation of circulating cell-free DNA (cfDNA) levels, which originated in lung epithelial cells, cardiomyocytes, vascular endothelial cells and erythroblasts, suggesting increased cell death or turnover in these tissues. The immune response to infection was reflected by elevated B cell and monocyte/macrophage cfDNA levels, and by evidence of an interferon response in cells prior to cfDNA release. Strikingly, monocyte/macrophage cfDNA levels (but not monocyte counts), as well as lung epithelium cfDNA and vascular endothelial cfDNA, predicted clinical deterioration and duration of hospitalization. Asymptomatic patients had elevated levels of immune-derived cfDNA but did not show evidence of pulmonary or cardiac damage. Surprisingly, these patients showed elevated levels of vascular endothelial cell and erythroblast cfDNA, suggesting that sub-clinical vascular and erythrocyte turnover are universal features of COVID-19, independent of disease severity. Epigenetic liquid biopsies provide non-invasive means of monitoring COVID-19 patients, and reveal sub-clinical vascular damage and red blood cell turnover.

Abstract Radiation therapy is an effective cancer treatment although damage to healthy tissues is common. Here we characterize the methylomes of healthy human and mouse tissues to establish sequencing-based, cell-type specific reference DNA methylation atlases. Identified cell-type specific DNA blocks were mostly hypomethylated and located within genes intrinsic to cellular identity. Cell-free DNA fragments released from dying cells into the circulation were captured from serum samples by hybridization to CpG-rich DNA panels. The origins of the circulating DNA fragments were inferred from mapping to the established DNA methylation atlases. Thoracic radiation-induced tissue damages in a mouse model were reflected by dose-dependent increases in lung endothelial, cardiomyocyte and hepatocyte methylated DNA in serum. The analysis of serum samples from breast cancer patients undergoing radiation treatment revealed distinct tissue-specific epithelial and endothelial responses to radiation across multiple organs. Strikingly, patients treated for right-sided breast cancers also showed increased hepatocyte and liver endothelial DNA in the circulation indicating the impact on liver tissues. Thus, changes in cell-free methylated DNA can uncover cell-type specific effects of radiation and provide a quantitative measure of the biologically effective radiation dose received by healthy tissues. Graphical Abstract

Following fertilization, totipotent cells divide to generate two compartments in the early embryo: the inner cell mass (ICM) and trophectoderm (TE). It is only at the 32-64 -cell stage when a clear segregation between the two cell-types is observed, suggesting a ‘T’-shaped model of specification. Here, we examine whether the acquisition of these two states in vitro by nuclear reprogramming share similar dynamics/trajectories. We conducted a comparative parallel multi-omics analysis on cells undergoing reprogramming to Induced pluripotent stem cells (iPSCs) and induced trophoblast stem cells (TSCs), and examined their transcriptome, methylome, chromatin accessibility and activity and genomic stability. Our analysis revealed that cells undergoing reprogramming to pluripotency and TSC state exhibit specific trajectories from the onset of the process, suggesting ‘V’-shaped model. Using these analyses, not only we could describe in detail the various trajectories toward the two states, we also identified previously unknown stage-specific reprogramming markers as well as markers for faithful reprogramming and reprogramming blockers. Finally, we show that while the acquisition of the TSC state involves the silencing of embryonic programs by DNA methylation, during the acquisition of pluripotency these specific regions are initially open but then retain inactive by the elimination of the histone mark, H3K27ac.

Methylation patterns of circulating cell-free DNA (cfDNA) contain rich information about recent cell death events in the body. Here, we present an approach for unbiased determination of the tissue origins of cfDNA, using a reference methylation atlas of 25 human tissues and cell types. The method is validated using in silico simulations as well as in vitro mixes of DNA from different tissue sources at known proportions. We show that plasma cfDNA of healthy donors originates from white blood cells (55%), erythrocyte progenitors (30%), vascular endothelial cells (10%) and hepatocytes (1%). Deconvolution of cfDNA from patients reveals tissue contributions that agree with clinical findings in sepsis, islet transplantation, cancer of the colon, lung, breast and prostate, and cancer of unknown primary. We propose a procedure which can be easily adapted to study the cellular contributors to cfDNA in many settings, opening a broad window into healthy and pathologic human tissue dynamics.

Allele-specific DNA methylation, determined genetically or epigenetically, is involved in gene regulation and underlies multiple pathologies. Yet, our knowledge of this phenomenon is partial, and largely limited to blood lineages. Here, we present a comprehensive atlas of allele-specific DNA methylation, using deep whole-genome sequencing across 39 normal human cell types. We identified 325k genomic regions, covering 6% of the genome and containing 11% of all CpG sites, that show a bimodal distribution of methylated and unmethylated molecules. In 34K of these regions, genetic variations at individual alleles segregate with methylation patterns, thus validating allele-specific methylation. We also identified 460 regions showing parentally-imprinted methylation, the majority of which were not previously reported. Surprisingly, sequence-dependent and parent-dependent methylation patterns are often restricted to specific cell types, revealing unappreciated variation in the human allele-specific methylation across the human body. The atlas provides a resource for studying allele-specific methylation and regulatory mechanisms underlying imprinted expression in specific human cell types.

Abstract Next-generation methylation-aware sequencing of DNA sheds light on the fundamental role of methylation in cellular function in health and disease. These data are commonly represented at a single CpG resolution, while single-molecule fragment-level analysis is often overlooked. Here, we present wgbstools , an extensive computational suite tailored for methylation sequencing data. wgbstools allows fast access and ultra-compact anonymized representation of high-throughput methylome data, obtained through various library preparation and sequencing methods. Additionally, wgbstools contains state-of-the-art algorithms for genomic segmentation, biomarker identification, genetic and epigenetic data integration, and more. wgbstools offers fragment-level analysis and informative visualizations, across multiple genomic regions and samples.

Abstract Blood cell counts often fail to report on immune processes occurring in remote tissues. Here we use immune cell type-specific methylation patterns in circulating cell-free DNA (cfDNA) for studying human immune cell dynamics. We characterized cfDNA released from specific immune cell types in healthy individuals (N=242), cross sectionally and longitudinally. Immune cfDNA levels had no individual steady state as opposed to blood cell counts, suggesting that cfDNA concentration reflects adjustment of cell survival to maintain homeostatic cell numbers. We also observed selective elevation of immune-derived cfDNA upon perturbations of immune homeostasis. Following influenza vaccination (N=92), B-cell-derived cfDNA levels increased prior to elevated B-cell counts and predicted efficacy of antibody production. Patients with Eosinophilic Esophagitis (N=21) and B-cell lymphoma (N=27) showed selective elevation of eosinophil and B-cell cfDNA respectively, which were undetectable by cell counts in blood. Immune-derived cfDNA provides a novel biomarker for monitoring immune responses to physiological and pathological processes that are not accessible using conventional methods.