Abstract The intestine is a complex organ that promotes digestion, extracts nutrients, participates in immune surveillance, maintains critical symbiotic relationships with microbiota and affects overall health 1 . The intesting has a length of over nine metres, along which there are differences in structure and function 2 . The localization of individual cell types, cell type development trajectories and detailed cell transcriptional programs probably drive these differences in function. Here, to better understand these differences, we evaluated the organization of single cells using multiplexed imaging and single-nucleus RNA and open chromatin assays across eight different intestinal sites from nine donors. Through systematic analyses, we find cell compositions that differ substantially across regions of the intestine and demonstrate the complexity of epithelial subtypes, and find that the same cell types are organized into distinct neighbourhoods and communities, highlighting distinct immunological niches that are present in the intestine. We also map gene regulatory differences in these cells that are suggestive of a regulatory differentiation cascade, and associate intestinal disease heritability with specific cell types. These results describe the complexity of the cell composition, regulation and organization for this organ, and serve as an important reference map for understanding human biology and disease.

Abstract The colon is a complex organ that promotes digestion, extracts nutrients, participates in immune surveillance, maintains critical symbiotic relationships with microbiota, and affects overall health. To better understand its organization, functions, and its regulation at a single cell level, we performed CODEX multiplexed imaging, as well as single nuclear RNA and open chromatin assays across eight different intestinal sites of four donors. Through systematic analyses we find cell compositions differ dramatically across regions of the intestine, demonstrate the complexity of epithelial subtypes, and find that the same cell types are organized into distinct neighborhoods and communities highlighting distinct immunological niches present in the intestine. We also map gene regulatory differences in these cells suggestive of a regulatory differentiation cascade, and associate intestinal disease heritability with specific cell types. These results describe the complexity of the cell composition, regulation, and organization for this organ, and serve as an important reference map for understanding human biology and disease.

Abstract Regular exercise promotes whole-body health and prevents disease, yet the underlying molecular mechanisms throughout a whole organism are incompletely understood. Here, the Molecular Transducers of Physical Activity Consortium (MoTrPAC) profiled the temporal transcriptome, proteome, metabolome, lipidome, phosphoproteome, acetylproteome, ubiquitylproteome, epigenome, and immunome in whole blood, plasma, and 18 solid tissues in Rattus norvegicus over 8 weeks of endurance exercise training. The resulting data compendium encompasses 9466 assays across 19 tissues, 25 molecular platforms, and 4 training time points in young adult male and female rats. We identified thousands of shared and tissue- and sex-specific molecular alterations. Temporal multi-omic and multi-tissue analyses demonstrated distinct patterns of tissue remodeling, with widespread regulation of immune, metabolism, heat shock stress response, and mitochondrial pathways. These patterns provide biological insights into the adaptive responses to endurance training over time. For example, exercise training induced heart remodeling via altered activity of the Mef2 family of transcription factors and tyrosine kinases. Translational analyses revealed changes that are consistent with human endurance training data and negatively correlated with disease, including increased phospholipids and decreased triacylglycerols in the liver. Sex differences in training adaptation were widespread, including those in the brain, adrenal gland, lung, and adipose tissue. Integrative analyses generated novel hypotheses of disease relevance, including candidate mechanisms that link training adaptation to non-alcoholic fatty liver disease, inflammatory bowel disease, cardiovascular health, and tissue injury and recovery. The data and analysis results presented in this study will serve as valuable resources for the broader community and are provided in an easily accessible public repository ( https://motrpac-data.org/ ). Highlights Multi-tissue resource identifies 35,439 analytes regulated by endurance exercise training at 5% FDR across 211 combinations of tissues and molecular platforms. Interpretation of systemic and tissue-specific molecular adaptations produced hypotheses to help describe the health benefits induced by exercise. Robust sex-specific responses to endurance exercise training are observed across multiple organs at the molecular level. Deep multi-omic profiling of six tissues defines regulatory signals for tissue adaptation to endurance exercise training. All data are available in a public repository, and processed data, analysis results, and code to reproduce major analyses are additionally available in convenient R packages.

ABSTRACT To chart cell composition and cell state changes that occur during the transformation of healthy colon to precancerous adenomas to colorectal cancer (CRC), we generated 451,886 single-cell chromatin accessibility profiles and 208,557 single-cell transcriptomes from 48 polyps, 27 normal tissues, and 6 CRCs collected from patients with and without germline APC mutations. A large fraction of polyp and CRC cells exhibit a stem-like phenotype, and we define a continuum of epigenetic and transcriptional changes occurring in these stem-like cells as they progress from normal to CRC. Advanced polyps contain increasing numbers of stem-like cells, regulatory T-cells, and a subtype of FOX-regulated pre-cancer associated fibroblasts. In the cancerous state, we observe T-cell exhaustion, RUNX1-regulated cancer associated fibroblasts, and increasing accessibility associated with HNF4A motifs in epithelia. Methylation changes in sporadic CRC are strongly anti-correlated with accessibility changes along this continuum, further identifying regulatory markers for molecular staging of polyps.

Abstract Although 3D genome architecture is essential for long-range gene regulation, the significance of distal regulatory chromatin contacts is challenged by recent findings of low correlation between contact propensity and gene expression. To better understand the role of long-range interactions between distal regulatory elements during the early transformation from healthy colon to colorectal cancer, here we performed high resolution chromatin conformation capture for 33 samples including non-neoplastic mucosa, adenomatous polyps and adenocarcinomas, mostly from Familial Adenomatous Polyposis (FAP) patients. We identified hundreds of thousands of chromatin micro-structures, such as architectural stripes and loops, which originated from active cis-regulatory elements. Surprisingly, these structures progressively decayed throughout cancer progression, particularly at promoters. Meta-analyses revealed that this decay was independent of alterations in DNA methylation and chromatin accessibility. Interestingly, the degree of interaction loss was poorly correlated with gene expression changes. Instead, genes whose expression were disproportionately lower and higher than their relative promoter interaction in mucosa shifted their expression in polyps and adenocarcinomas to yield a more direct relationship between strength of interaction and gene expression. Our work provides the first high resolution 3D conformation maps during early cancer formation and progression, and provides novel insights into transcriptional readouts associated with fine-scale chromatin conformation alterations.