Abstract The molecular underpinnings of organ dysfunction in acute COVID-19 and its potential long-term sequelae are under intense investigation. To shed light on these in the context of liver function, we performed single-nucleus RNA-seq and spatial transcriptomic profiling of livers from 17 COVID-19 decedents. We identified hepatocytes positive for SARS-CoV-2 RNA with an expression phenotype resembling infected lung epithelial cells. Integrated analysis and comparisons with healthy controls revealed extensive changes in the cellular composition and expression states in COVID-19 liver, reflecting hepatocellular injury, ductular reaction, pathologic vascular expansion, and fibrogenesis. We also observed Kupffer cell proliferation and erythrocyte progenitors for the first time in a human liver single-cell atlas, resembling similar responses in liver injury in mice and in sepsis, respectively. Despite the absence of a clinical acute liver injury phenotype, endothelial cell composition was dramatically impacted in COVID-19, concomitantly with extensive alterations and profibrogenic activation of reactive cholangiocytes and mesenchymal cells. Our atlas provides novel insights into liver physiology and pathology in COVID-19 and forms a foundational resource for its investigation and understanding.

Abstract Systematically investigating the scores of genes mutated in cancer and discerning real drivers from inconsequential bystanders is a prerequisite for Precision Medicine, but remains challenging. Here, we developed a somatic CRISPR/Cas9 mutagenesis screen to study 215 recurrent ‘long-tail’ breast cancer genes, which revealed epigenetic regulation as major tumor suppressive mechanism. We report that core or accessory components of the COMPASS histone methylase complex including KMT2C , KDM6A , BAP1 and ASXL2 (“EpiDrivers”) cooperate with PIK3CA H1047R to transform mouse and human breast epithelial cells. Mechanistically, we find that Cre-mediated activation of PIK3CA H1047R elicited an aberrant alveolar lactation program in luminal cells, which was exacerbated upon loss of EpiDrivers. Remarkably, EpiDriver loss in basal cells also triggered an alveolar-like lineage conversion and accelerated formation of luminal-like tumors, suggesting a basal origin for luminal tumors. As EpiDrivers are mutated in 39% of human breast cancers, lineage infidelity and lactation mimicry may significantly contribute to early steps of breast cancer progression. Statement of significance Infrequently mutated genes comprise most of the mutational burden in breast tumors but are poorly understood. In-vivo CRISPR screening identified functional tumor suppressors that converged on epigenetic regulation. Loss of epigenetic regulators accelerated tumorigenesis and revealed lineage infidelity and aberrant expression of lactation genes as potential early events in tumorigenesis.

Abstract Maintaining organ homeostasis requires complex functional synergy between distinct cell types, a snapshot of which is glimpsed through the simultaneously broad and granular analysis provided by single-cell atlases. Knowledge of the transcriptional programs underpinning the complex and specialized functions of human kidney cell populations at homeostasis is limited by difficulty accessing healthy, fresh tissue. Here, we present a single-cell perspective of healthy human kidney from 19 living donors, with equal contribution from males and females, profiling the transcriptome of 27677 high-quality cells to map healthy kidney at high resolution. Our sex-balanced dataset revealed sex-based differences in gene expression within proximal tubular cells, specifically, increased anti-oxidant metallothionein genes in females and the predominance of aerobic metabolism-related genes in males. Functional differences in metabolism were confirmed between male and female proximal tubular cells, with male cells exhibiting higher oxidative phosphorylation and higher levels of energy precursor metabolites. Within the immune niche, we identified kidney-specific lymphocyte populations with unique transcriptional profiles indicative of kidney-adapted functions and validated findings by flow cytometry. We observed significant heterogeneity in resident myeloid populations and identified an MRC1 + LYVE1 + FOLR2 + C1QC + population as the predominant myeloid population in healthy kidney. This study provides a detailed cellular map of healthy human kidney, revealing novel insights into the complexity of renal parenchymal cells and kidney-resident immune populations.

A common complementary strategy in Genome-Wide Association Studies (GWAS) is to perform Gene Set Analysis (GSA), which tests for the association between one phenotype of interest and an entire set of Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs) residing in selected genes. While there exist many tools for performing GSA, popular methods often include a number of ad-hoc steps that are difficult to justify statistically, provide complicated interpretations based on permutation inference, and demonstrate poor operating characteristics. Additionally, the lack of gold standard gene set lists can produce misleading results and create difficulties in comparing analyses even across the same phenotype. We introduce the Generalized Berk-Jones (GBJ) statistic for GSA, a permutation-free parametric framework that offers asymptotic power guarantees in certain set-based testing settings. To adjust for confounding introduced by different gene set lists, we further develop a GBJ step-down inference technique that can discriminate between gene sets driven to significance by single genes and those demonstrating group-level effects. We compare GBJ to popular alternatives through simulation and re-analysis of summary statistics from a large breast cancer GWAS, and we show how GBJ can increase power by incorporating information from multiple signals in the same gene. In addition, we illustrate how breast cancer pathway analysis can be confounded by the frequency of FGFR2 in pathway lists. Our approach is further validated on two other datasets of summary statistics generated from GWAS of height and schizophrenia.

Prolonged exposure to glucocorticoid stress hormones precipitates mood and cognitive disorders. We identified arginine and glutamate rich 1 (ARGLU1) in a screen for new modulators of glucocorticoid signaling in the CNS. Biochemical studies found that the glutamate rich C-terminus coactivates the glucocorticoid receptor (GR) and the arginine rich N-terminus interacts with splicing factors and RNA. RNA-seq of neuronal cells +/- siARGLU1 found significant changes in the expression and alternative splicing of distinct genes involved in neurogenesis. Loss of ARGLU1 was embryonic lethal in mice, and knockdown in zebrafish caused neurodevelopmental and heart defects. Treatment with dexamethasone, a GR activator, also induced changes in the pattern of alternatively spliced genes, highlighting an underappreciated global mechanism of glucocorticoid action in neuronal cells. Thus, in addition to its basal role, ARGLU1 links glucocorticoid-mediated transcription and alternative splicing in neural cells, providing new avenues from which to investigate the molecular underpinnings of cognitive stress disorders.

Abstract Postnatal skeletal growth, homeostatic maintenance, and regeneration is driven by skeletal stem cells. In addition, it is well established that skeletal tissues lose their regenerative potential with age, comorbidities, and repeated trauma, possibly through stem cell exhaustion or loss of function. However, it is largely unknown where these cells reside in skeletal tissues, what molecular mechanisms regulate their self-renewal and fate decisions, and how to isolate, purify, and expand them ex vivo. Therefore, there is an urgent need for a deeper understanding of postnatal skeletal stem cells. Here, we used genetic lineage tracing, thymidine analogues retention, whole bone microscopy, imaging cytometry, in vitro assays, and single cell transcriptomics and provide the first experimental evidence for the existence of self-renewing osteochondral stem cells in the postnatal skeleton in both males and females. We also show direct comparisons between adult, fetal, mouse, and human skeletal stem cells at the transcriptome level.

Aim: We examined methylation changes in cell-free DNA (cfDNA) in metastatic castration resistant prostate cancer (mCRPC) during treatment. Materials and Methods: Genome-wide methylation analysis of sequentially collected cfDNA samples derived from mCRPC patients undergoing androgen-targeting therapy was performed. Results: Alterations in methylation states previously implicated in prostate cancer progression were observed and patients that maintained methylation changes throughout therapy tended to have a longer time to clinical progression (TTP). Importantly, we also report that markers associated with a highly aggressive form of the disease, Neuroendocrine-CRPC, were associated with a faster TTP. Conclusion: Our findings highlight the potential of monitoring cfDNA methylome during therapy in mCRPC, which may serve as predictive markers of response to androgen-targeting agents.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.

Recent studies indicate that cancer-associated fibroblasts (CAFs) are phenotypically and functionally heterogeneous. However, little is known about CAF subtypes, the roles they play in cancer progression, and molecular mediators of the CAF “state”. Here we identify a novel cell surface pan-CAF marker, CD49e, and demonstrate that two distinct CAF states, distinguished by expression of fibroblast activation protein (FAP), co-exist within the CD49e+ CAF compartment in high grade serous ovarian cancers. We show for the first time that CAF state influences patient outcomes, and that this is mediated by the ability FAP-high (FH) but not FAP-low (FL) CAFs to aggressively promote proliferation, invasion and therapy resistance of cancer cells. Overexpression of the FL-specific transcription factor TCF21 in FH CAFs decreases their ability to promote invasion, chemoresistance and in vivo tumor growth, indicating that it acts as a master regulator of the CAF state. Understanding CAF states in more detail could lead to better patient stratification and novel therapeutic strategies.One sentence summary In this study we demonstrate that cancer-associated fibroblasts (CAFs) in high-grade serous ovarian cancer are heterogeneous, that CAF state drives cancer aggressiveness and patient outcomes, and that TCF21 is a master regulator of CAF state.

Pathway Commons (https://www.pathwaycommons.org) is an integrated resource of publicly available information about biological pathways including biochemical reactions, assembly of biomolecular complexes, transport and catalysis events and physical interactions involving proteins, DNA, RNA, and small molecules (e.g., metabolites and drug compounds). Data is collected from multiple providers in standard formats, including the Biological Pathway Exchange (BioPAX) language and the Proteomics Standards Initiative Molecular Interactions format, and then integrated. Pathway Commons provides biologists with (1) tools to search this comprehensive resource, (2) a download site offering integrated bulk sets of pathway data (e.g., tables of interactions and gene sets), (3) reusable software libraries for working with pathway information in several programming languages (Java, R, Python, and Javascript), and (4) a web service for programmatically querying the entire dataset. Visualization of pathways is supported using the Systems Biological Graphical Notation (SBGN). Pathway Commons currently contains data from 22 databases with 4,794 detailed human biochemical processes (i.e., pathways) and ~2.3 million interactions. To enhance the usability of this large resource for end-users, we develop and maintain interactive web applications and training materials that enable pathway exploration and advanced analysis.

Global insights into cellular organization and function require comprehensive understanding of interactome networks. Similar to how a reference genome sequence revolutionized human genetics, a reference map of the human interactome network is critical to fully understand genotype-phenotype relationships. Here we present the first human “all-by-all” binary reference interactome map, or “HuRI”. With ~53,000 high-quality protein-protein interactions (PPIs), HuRI is approximately four times larger than the information curated from small-scale studies available in the literature. Integrating HuRI with genome, transcriptome and proteome data enables the study of cellular function within essentially any physiological or pathological cellular context. We demonstrate the use of HuRI in identifying specific subcellular roles of PPIs and protein function modulation via splicing during brain development. Inferred tissue-specific networks reveal general principles for the formation of cellular context-specific functions and elucidate potential molecular mechanisms underlying tissue-specific phenotypes of Mendelian diseases. HuRI thus represents an unprecedented, systematic reference linking genomic variation to phenotypic outcomes.