Chronic inflammation and tissue fibrosis are common stress responses that worsen organ function, yet the molecular mechanisms governing their crosstalk are poorly understood. In diseased organs, stress-induced changes in gene expression fuel maladaptive cell state transitions and pathological interaction between diverse cellular compartments. Although chronic fibroblast activation worsens dysfunction of lung, liver, kidney, and heart, and exacerbates many cancers, the stress-sensing mechanisms initiating the transcriptional activation of fibroblasts are not well understood. Here, we show that conditional deletion of the transcription co-activator Brd4 in Cx3cr1-positive myeloid cells ameliorates heart failure and is associated with a dramatic reduction in fibroblast activation. Analysis of single-cell chromatin accessibility and BRD4 occupancy in vivo in Cx3cr1-positive cells identified a large enhancer proximal to Interleukin-1 beta (Il1b), and a series of CRISPR deletions revealed the precise stress-dependent regulatory element that controlled expression of Il1b in disease. Secreted IL1B functioned non-cell autonomously to activate a p65/RELA-dependent enhancer near the transcription factor MEOX1, resulting in a profibrotic response in human cardiac fibroblasts. In vivo, antibody-mediated IL1B neutralization prevented stress-induced expression of MEOX1, inhibited fibroblast activation, and improved cardiac function in heart failure. The elucidation of BRD4-dependent crosstalk between a specific immune cell subset and fibroblasts through IL1B provides new therapeutic strategies for heart disease and other disorders of chronic inflammation and maladaptive tissue remodeling.

Abstract In diseased organs, stress-activated signaling cascades alter chromatin, triggering broad shifts in transcription and cell state that exacerbate pathology. Fibroblast activation is a common stress response that worsens lung, liver, kidney and heart disease, yet its mechanistic basis remains poorly understood 1,2 . Pharmacologic inhibition of the BET family of transcriptional coactivators alleviates cardiac dysfunction and associated fibrosis, providing a tool to mechanistically interrogate maladaptive fibroblast states and modulate their plasticity as a potential therapeutic approach 3–8 . Here, we leverage dynamic single cell transcriptomic and epigenomic interrogation of heart tissue with and without BET inhibition to reveal a reversible transcriptional switch underlying stress-induced fibroblast activation. Transcriptomes of resident cardiac fibroblasts demonstrated robust and rapid toggling between the quiescent fibroblast and activated myofibroblast state in a manner that directly correlated with BET inhibitor exposure and cardiac function. Correlation of single cell chromatin accessibility with cardiac function revealed a novel set of reversibly accessible DNA elements that correlated with disease severity. Among the most dynamic elements was an enhancer regulating the transcription factor MEOX1, which was specifically expressed in activated myofibroblasts, occupied putative regulatory elements of a broad fibrotic gene program, and was required for TGFβ-induced myofibroblast activation. CRISPR interference of the most dynamic cis -element within the enhancer, marked by nascent transcription, prevented TGFβ-induced activation of Meox1 . These findings identify MEOX1 as a central regulator of stress-induced myofibroblast activation associated with cardiac dysfunction. The plasticity and specificity of the BET-dependent regulation of MEOX1 in endogenous tissue fibroblasts provides new trans - and cis - targets for treating fibrotic disease.

Communication between myriad cell types during organ formation underlies proper morphogenesis 1 . In cardiac development, reciprocal signaling between mesoderm progenitors and neural crest cells is essential, and its disruption leads to congenital heart malformations, the most common human birth defect. However, mechanistic interrogation of temporal gene networks and cis regulatory elements in this crosstalk is limited 2,3 . Here, we integrated single cell chromatin accessibility and transcriptomics to establish an unbiased and temporal epigenomic map of the embryonic mouse heart over multiple stages and developed machine learning models to predict enhancers for heart and neural crest. We leveraged these advances to determine the consequences of dysregulated signaling at single cell resolution caused by deletion of TBX1, a transcription factor that causes morphogenetic defects of the cardiac outflow tract in humans and functions non-cell autonomously in cardiac mesodermal progenitors to direct pharyngeal neural crest differentiation 4–6 . Loss of Tbx1 in mice led to broad closure of chromatin regions enriched in cardiac progenitor transcription factor motifs within a narrow subset of cardiac mesodermal progenitors and correlated with diminished expression of numerous members of the fibroblast growth factor, retinoic acid, Notch and Semaphorin pathways. In affected progenitors, ectopic accessibility and expression of posterior heart field factors in the anterior heart field suggested impaired axial patterning. In response, a subset of cardiac neural crest cells displayed epigenomic and transcriptional defects, indicating a failure of differentiation corresponding to dysregulation of the anterior-posterior gradient of pharyngeal Hox gene expression. This study demonstrates that single-cell genomics and machine learning can generate a mechanistic model for how disruptions in cell communication selectively affect spatiotemporally dynamic regulatory networks in cardiogenesis.