Abstract Superspreading events shape the COVID-19 pandemic. Here we provide a national-scale analysis of SARS-CoV-2 outbreaks in Austria, a country that played a major role for virus transmission across Europe and beyond. Capitalizing on a national epidemiological surveillance system, we performed deep whole-genome sequencing of virus isolates from 576 samples to cover major Austrian SARS-CoV-2 clusters. Our data chart a map of early viral spreading in Europe, including the path from low-frequency mutations to fixation. Detailed epidemiological surveys enabled us to calculate the effective SARS-CoV-2 population bottlenecks during transmission and unveil time-resolved intra-patient viral quasispecies dynamics. This study demonstrates the power of integrating deep viral genome sequencing and epidemiological data to better understand how SARS-CoV-2 spreads through populations. Graphical Abstract

Immune responses are tightly regulated yet highly variable between individuals. To investigate human population variation of trained immunity, we immunized healthy individuals with Bacillus Calmette-Guérin (BCG). This live-attenuated vaccine induces not only an adaptive immune response against tuberculosis but also triggers innate immune activation and memory that are indicative of trained immunity. We established personal immune profiles and chromatin accessibility maps over a 90-day time course of BCG vaccination in 323 individuals. Our analysis uncovered genetic and epigenetic predictors of baseline immunity and immune response. BCG vaccination enhanced the innate immune response specifically in individuals with a dormant immune state at baseline, rather than providing a general boost of innate immunity. This study advances our understanding of BCG’s heterologous immune-stimulatory effects and trained immunity in humans. Furthermore, it highlights the value of epigenetic cell states for connecting immune function with genotype and the environment.

Abstract Organoids enable disease modeling in complex and structured human tissue, in vitro . Like most 3D models, they lack sufficient oxygen supply, leading to cellular stress. These negative effects are particularly prominent in complex models, like brain organoids, where they can prevent proper lineage commitment. Here, we analyze brain organoid and fetal single cell RNA sequencing (scRNAseq) data from published and new datasets totaling over 190,000 cells. We describe a unique stress signature found in all organoid samples, but not in fetal samples. We demonstrate that cell stress is limited to a defined organoid cell population, and present Gruffi, an algorithm that uses granular functional filtering to identify and remove stressed cells from any organoid scRNAseq dataset in an unbiased manner. Our data show that adverse effects of cell stress can be corrected by bioinformatic analysis, improving developmental trajectories and resemblance to fetal data.

Abstract Chronic lymphocytic leukemia (CLL) is a genetically, epigenetically, and clinically heterogeneous disease. Despite this heterogeneity, the Bruton tyrosine kinase (BTK) inhibitor ibrutinib provides effective treatment for the vast majority of CLL patients. To define the underlining regulatory program, we analyzed high-resolution time courses of ibrutinib treatment in closely monitored patients, combining cellular phenotyping (flow cytometry), single-cell transcriptome profiling (scRNA-seq), and chromatin mapping (ATAC-seq). We identified a consistent regulatory program shared across all patients, which was further validated by an independent CLL cohort. In CLL cells, this program starts with a sharp decrease of NF-κB binding, followed by reduced regulatory activity of lineage-defining transcription factors (including PAX5 and IRF4) and erosion of CLL cell identity, finally leading to the acquisition of a quiescence-like gene signature which was shared across several immune cell types. Nevertheless, we observed patient-to-patient variation in the speed of its execution, which we exploited to predict patient-specific dynamics in the response to ibrutinib based on pre-treatment samples. In aggregate, our study describes the cellular, molecular, and regulatory effects of therapeutic B cell receptor inhibition in CLL at high temporal resolution, and it establishes a broadly applicable method for epigenome/transcriptome-based treatment monitoring.

Abstract The neural crest (NC) is an important multipotent embryonic cell population and its impaired specification leads to various developmental defects, often in an anteroposterior (A-P) axial level-specific manner. The mechanisms underlying the correct A-P regionalisation of human NC cells remain elusive. Recent studies have indicated that trunk NC cells, the presumed precursors of the childhood tumour neuroblastoma, are derived from neuromesodermal-potent progenitors of the postcranial body (NMPs). Here we employ human embryonic stem cell differentiation to define how NMP-derived NC cells acquire a posterior axial identity. We show that TBXT, a pro-mesodermal transcription factor, mediates early posterior NC regionalisation together with WNT signalling effectors. This occurs by TBXT-driven chromatin remodelling via its binding in key enhancers within HOX gene clusters and other posterior regulator-associated loci. In contrast, posteriorisation of NMP-derived spinal cord cells is TBXT/WNT-independent and takes place under the influence of FGF signalling. Our work reveals a previously unknown role of TBXT in influencing posterior NC fate and points to the existence of temporally discrete, cell type-dependent modes of posterior axial identity control.

Abstract Many genes are regulated by multiple enhancers that often simultaneously activate their target gene. Yet, how individual enhancers collaborate to activate transcription is not well understood. Here, we dissect the functions and interdependencies of five enhancer elements that form a previously identified enhancer cluster and activate the Fgf5 locus during exit from naïve murine pluripotency. Four elements are located downstream of the Fgf5 gene and form a super-enhancer. Each of these elements contributes to Fgf5 induction at a distinct time point of differentiation. The fifth element is located in the first intron of the Fgf5 gene and contributes to Fgf5 expression at every time point by amplifying overall Fgf5 expression levels. This amplifier element strongly accumulates paused RNA Polymerase II but does not give rise to a mature Fgf5 mRNA. By transplanting the amplifier to a different genomic position, we demonstrate that it enriches for high levels of paused RNA Polymerase II autonomously. Based on our data, we propose a model for a mechanism by which RNA Polymerase II accumulation at a novel type of enhancer element, the amplifier, contributes to enhancer collaboration.

Pro-inflammatory CD4 + T cells are major drivers of autoimmune diseases, yet therapies modulating T cell phenotypes to promote an anti-inflammatory state are lacking. Here, we identify T helper 17 (T H 17) cell plasticity in the kidneys of patients with antineutrophil cytoplasmic antibody–associated glomerulonephritis on the basis of single-cell (sc) T cell receptor analysis and scRNA velocity. To uncover molecules driving T cell polarization and plasticity, we established an in vivo pooled scCRISPR droplet sequencing (iCROP-seq) screen and applied it to mouse models of glomerulonephritis and colitis. CRISPR-based gene targeting in T H 17 cells could be ranked according to the resulting transcriptional perturbations, and polarization biases into T helper 1 (T H 1) and regulatory T cells could be quantified. Furthermore, we show that iCROP-seq can facilitate the identification of therapeutic targets by efficient functional stratification of genes and pathways in a disease- and tissue-specific manner. These findings uncover T H 17 to T H 1 cell plasticity in the human kidney in the context of renal autoimmunity.

Abstract T-cell acute lymphoblastic leukemia (T-ALL) is an aggressive immature T-cell cancer. Hotspot mutations in JAK-STAT pathway members IL7R , JAK1 and JAK3 were analyzed in depth. However, the role of STAT5A or STAT5B mutations promoting their hyperactivation is poorly understood in the context of T-cell cancer initiation and acute leukemia progression. Importantly, the driver mutation STAT5B N642H encodes the most frequent activating STAT5 variant in T-ALL associated with poor prognosis. Here, we show that hyperactive STAT5 promotes early T-cell progenitor (ETP)-ALL-like cancer in mice and upregulated genes involved in T-cell receptor signaling (TCR), even in absence of surface TCR promoting. Importantly, these genes were also overexpressed in human T-ALL and other STAT5-dependent T-cell cancers. Moreover, human T-ALL cells were sensitive to pharmacologic inhibition by dual STAT3/5 degraders or ZAP70 tyrosine kinase blockers. Thus, we define STAT5 target genes in T-ALL that promote pre-TCR signaling mimicry. We propose therapeutic targeting using selective ZAP70 or STAT3/5 inhibitors in a subgroup of T-ALL patients with prominent IL-7R-JAK1/3-STAT5 activity. Significance We provide detailed functional characterizations of hyperactive STAT5A or STAT5B in thymic T-cell development and transformation. We found that hyperactive STAT5 transcribes T-cell-specific kinases or pre-TCR signaling hubs to promote T-ALL. Biomolecular and next-generation-sequencing methods, transgenesis and pharmacologic interference revealed that hyperactive STAT5 is a key oncogenic driver that can be targeted in T-ALL using STAT3/5 or SYK family member tyrosine kinase inhibitors. Conflict of interest The authors declare no potential conflicts of interest.

ABSTRACT In mammals, chromatin marks at imprinted genes are asymmetrically inherited to control parentally-biased gene expression. This control is thought predominantly to involve parent-specific differentially methylated regions (DMR) in genomic DNA. However, neither parent-of-origin-specific transcription nor DMRs have been comprehensively mapped. We here address this by integrating transcriptomic and epigenomic approaches in mouse preimplantation embryos (blastocysts). Transcriptome-analysis identified 71 genes expressed with previously unknown parent-of-origin-specific expression in blastocysts (nBiX: novel blastocyst-imprinted expression). Uniparental expression of nBiX genes disappeared soon after implantation. Micro-whole-genome bisulfite sequencing (μWGBS) of individual uniparental blastocysts detected 859 DMRs. Only 18% of nBiXs were associated with a DMR, whereas 60% were associated with parentally-biased H3K27me3. This suggests a major role for Polycomb-mediated imprinting in blastocysts. Five nBiX-clusters contained at least one known imprinted gene, and five novel clusters contained exclusively nBiX-genes. These data suggest a complex program of stage-specific imprinting involving different tiers of regulation.

Glioblastoma is characterized by widespread genetic and transcriptional heterogeneity, yet little is known about the role of the epigenome in glioblastoma disease progression. Here, we present genome-scale maps of the DNA methylation dynamics in matched primary and recurring glioblastoma tumors, based on a national population registry and a comprehensively annotated clinical cohort. We demonstrate the feasibility of DNA methylation mapping in a large set of routinely collected formalin-fixed paraffin-embedded (FFPE) samples, and we validate bisulfite sequencing as a multi-purpose assay that allowed us to infer a range of different genetic, epigenetic, and transcriptional tumor characteristics. Based on these data, we identified characteristic differences between primary and recurring tumors, links between DNA methylation and the tumor microenvironment, and an association of epigenetic tumor heterogeneity with patient survival. In summary, this study provides a resource for dissecting DNA methylation heterogeneity in genetically diverse and heterogeneous tumors, and it demonstrates the feasibility of integrating epigenomics, radiology, and digital pathology in a representative national cohort, leveraging samples and data collected as part of routine clinical practice.