Abstract Differences in immune function and responses contribute to health- and life-span disparities between sexes. However, the role of sex in immune system aging is not well understood. Here, we characterize peripheral blood mononuclear cells from 172 healthy adults 22–93 years of age using ATAC-seq, RNA-seq, and flow cytometry. These data reveal a shared epigenomic signature of aging including declining naïve T cell and increasing monocyte and cytotoxic cell functions. These changes are greater in magnitude in men and accompanied by a male-specific decline in B-cell specific loci. Age-related epigenomic changes first spike around late-thirties with similar timing and magnitude between sexes, whereas the second spike is earlier and stronger in men. Unexpectedly, genomic differences between sexes increase after age 65, with men having higher innate and pro-inflammatory activity and lower adaptive activity. Impact of age and sex on immune phenotypes can be visualized at https://immune-aging.jax.org to provide insights into future studies.

Patients with systemic lupus erythematosus (SLE) display a complex blood transcriptome whose cellular origin is poorly resolved. Using single-cell RNA sequencing, we profiled ~276,000 peripheral blood mononuclear cells from 33 children with SLE with different degrees of disease activity and 11 matched controls. Increased expression of interferon-stimulated genes (ISGs) distinguished cells from children with SLE from healthy control cells. The high ISG expression signature (ISGhi) derived from a small number of transcriptionally defined subpopulations within major cell types, including monocytes, CD4+ and CD8+ T cells, natural killer cells, conventional and plasmacytoid dendritic cells, B cells and especially plasma cells. Expansion of unique subpopulations enriched in ISGs and/or in monogenic lupus-associated genes classified patients with the highest disease activity. Profiling of ~82,000 single peripheral blood mononuclear cells from adults with SLE confirmed the expansion of similar subpopulations in patients with the highest disease activity. This study lays the groundwork for resolving the origin of the SLE transcriptional signatures and the disease heterogeneity towards precision medicine applications. Banchereau and colleagues provide a resource dataset that examines disease-related transcriptional profiles of peripheral whole-blood cells from adolescent patients with SLE by single-cell RNA-seq analysis.

The factors driving therapy resistance in diffuse glioma remain poorly understood. To identify treatment-associated cellular and genetic changes, we analyzed RNA and/or DNA sequencing data from the temporally separated tumor pairs of 304 adult patients with isocitrate dehydrogenase (IDH)-wild-type and IDH-mutant glioma. Tumors recurred in distinct manners that were dependent on IDH mutation status and attributable to changes in histological feature composition, somatic alterations, and microenvironment interactions. Hypermutation and acquired CDKN2A deletions were associated with an increase in proliferating neoplastic cells at recurrence in both glioma subtypes, reflecting active tumor growth. IDH-wild-type tumors were more invasive at recurrence, and their neoplastic cells exhibited increased expression of neuronal signaling programs that reflected a possible role for neuronal interactions in promoting glioma progression. Mesenchymal transition was associated with the presence of a myeloid cell state defined by specific ligand-receptor interactions with neoplastic cells. Collectively, these recurrence-associated phenotypes represent potential targets to alter disease progression.

Abstract Severe coronavirus disease 2019 (COVID-19) is characterized by systemic inflammation and can result in protracted symptoms. Robust systemic inflammation may trigger persistent changes in hematopoietic cells and innate immune memory through epigenetic mechanisms. We reveal that rare circulating hematopoietic stem and progenitor cells (HSPC), enriched from human blood, match the diversity of HSPC in bone marrow, enabling investigation of hematopoiesis and HSPC epigenomics. Following COVID-19, HSPC retain epigenomic alterations that are conveyed, through differentiation, to progeny innate immune cells. Epigenomic changes vary with disease severity, persist for months to a year, and are associated with increased myeloid cell differentiation and inflammatory or antiviral programs. Epigenetic reprogramming of HSPC may underly altered immune function following infection and be broadly relevant, especially for millions of COVID-19 survivors. One Sentence Summary Transcriptomic and epigenomic analysis of blood reveal sustained changes in hematopoiesis and innate immunity after COVID-19. Graphical Abstract

Systemic Lupus Erythematosus (SLE) is characterized by autoreactive B cell activation, upregulation of Type I Interferon (IFN) and widespread inflammation. Mitochondrial nucleic acids (NAs) are increasingly recognized as triggers of IFN 1 . Thus, defective removal of mitochondria from mature red blood cells (Mito + RBCs), a feature of SLE, contributes to IFN production by myeloid cells 2 . Here we identify blood monocytes (Mo) that have internalized RBCs and co-express IFN-stimulated genes (ISGs) and interleukin-1β (IL-1β) in SLE patients with active disease. We show that ISG expression requires the interaction between Mito + RBC-derived mitochondrial DNA (mtDNA) and cGAS, while IL-1β production entails Mito + RBC-derived mitochondrial RNA (mtRNA) triggering of RIG-I-like receptors (RLRs). This leads to the cytosolic release of Mo-derived mtDNA that activates the NLRP3 inflammasome. Importantly, IL-1β release depends on the IFN-inducible myxovirus resistant protein 1 (MxA), which enables the translocation of this cytokine into a trans-Golgi network (TGN)-mediated unconventional secretory pathway. Our study highlights a novel and synergistic pathway involving IFN and the NLRP3 inflammasome in SLE.

Abstract Aging is the greatest risk factor for breast cancer; however, how age-related cellular and molecular events impact cancer initiation is unknown. We investigate how aging rewires transcriptomic and epigenomic programs of mouse mammary glands at single cell resolution, yielding a comprehensive resource for aging and cancer biology. Aged epithelial cells exhibit epigenetic and transcriptional changes in metabolic, pro-inflammatory, or cancer-associated genes. Aged stromal cells downregulate fibroblast marker genes and upregulate markers of senescence and cancer-associated fibroblasts. Among immune cells, distinct T cell subsets ( Gzmk + , memory CD4 + , γδ) and M2-like macrophages expand with age. Spatial transcriptomics reveal co-localization of aged immune and epithelial cells in situ . Lastly, transcriptional signatures of aging mammary cells are found in human breast tumors, suggesting mechanistic links between aging and cancer. Together, these data uncover that epithelial, immune, and stromal cells shift in proportions and cell identity, potentially impacting cell plasticity, aged microenvironment, and neoplasia risk.

ABSTRACT Similar to other droplet-based single cell assays, single nucleus ATAC-seq (snATAC-seq) data harbor multiplets that confound downstream analyses. Detecting multiplets in snATAC-seq data is particularly challenging due to its sparsity and trinary nature (0 reads: closed chromatin, 1: open in one allele, 2: open in both alleles), yet offers a unique opportunity to infer multiplets when >2 uniquely aligned reads are observed at multiple loci. Here, we implemented the first read count-based multiplet detection method, ATAC-DoubletDetector, that detects multiplets independently of cell-type. Using PBMC and pancreatic islet datasets, ATAC-DoubletDetector captured simulated heterotypic multiplets (different cell-types) with ∼0.60 recall, showing ∼24% improvement over state of the art. ATAC-DoubletDetector detected homotypic multiplets with ∼0.61 recall, representing the first method to detect multiplets originating from the same cell type. Using our novel clustering-based algorithm, multiplets were annotated to their cellular origins with ∼85% accuracy. Application of ATAC-DoubletDetector will improve downstream analysis of snATAC-seq.

Abstract The evolution of cellular heterogeneity in IDH-wildtype glioblastoma (GBM) after standard-of-care therapy remains poorly understood. To address it, we assembled a longitudinal cohort of 121 primary and recurrent GBM specimens from 59 patients, with extensive clinical annotations, and profiled it by single-nucleus RNA-sequencing and bulk tumor DNA sequencing. In most cases, longitudinal samples diverged in their composition of cell types and cell states. However, almost all theoretical trajectories were observed in our cohort such that the overall distribution of cell types and cell states was comparable between primary and recurrent samples. The most consistent longitudinal effect (66% of patients) was a lower malignant cell fraction at recurrence and a reciprocal increase in proportions of glio-neuronal TME cell types; in some cases, this was further accompanied by a coordinated shift of malignant cells towards neuronal-like states. MGMT methylation and radiation-related small deletion phenotypes were linked to particular trajectories, with depletion of mesenchymal-like cells and enrichment of hypoxia-related malignant cells, respectively. Importantly, changes in malignant states were also associated with specific changes in TME composition. In summary, our analysis highlights diverse longitudinal GBM trajectories that are shaped by treatment response and TME interactions.

BACKGROUND: The placenta relies on phenotypes that are characteristic of cancer to successfully implant the embryo in the uterus during early pregnancy. Notably, it has to invade its host tissues, promote angiogenesis, while surviving hypoxia, and escape the immune system. Similarities in DNA methylation patterns between the placenta and cancers suggest that common epigenetic mechanisms may be involved in regulating these behaviors. RESULTS: We show here that megabase-scale patterns of hypomethylation distinguish first from third trimester chorionic villi in the placenta, and that these patterns mirror those that distinguish many tumors from corresponding normal tissues. We confirmed these findings in villous cytotrophoblasts isolated from the placenta and identified a time window at the end of the first trimester, when these cells come into contact with maternal blood as the likely time period for the methylome alterations. Furthermore, the large genomic regions affected by these patterns of hypomethylation encompass genes involved in pathways related to epithelial-mesenchymal transition (EMT), immune response and inflammation. Analyses of expression profiles corresponding to genes in these hypomethylated regions in colon adenocarcinoma tumors point to networks of differentially expressed genes previously implicated in carcinogenesis and placentogenesis, where nuclear factor kappa B (NF-kB) is a key hub. CONCLUSION: Taken together, our results suggest the existence of epigenetic switches involving large-scale changes of methylation in the placenta during pregnancy and in tumors during neoplastic transformation. The characterization of such epigenetic switches might lead to the identification of biomarkers and drug targets in oncology as well as in obstetrics and gynecology.

Differences in immune function and responses contribute to health- and life-span disparities between sexes. However, the role of sex in immune system aging is not well understood. Here, we characterize peripheral blood mononuclear cells from 172 healthy adults 22-93 years of age using ATAC-seq, RNA-seq, and flow-cytometry. These data reveal a shared epigenomic signature of aging including declining naïve T cell and increasing monocyte/cytotoxic cell functions. These changes were greater in magnitude in men and accompanied by a male-specific genomic decline in B-cell specific loci. Age-related epigenomic changes first spike around late-thirties with similar timing and magnitude between sexes, whereas the second spike is earlier and stronger in men. Unexpectedly, genomic differences between sexes increase after age 65, with men having higher innate and pro-inflammatory activity and lower adaptive activity. Impact of age and sex on immune cell genomes can be visualized at to provide insights into future studies.