ABSTRACT In solid tumor oncology, circulating tumor DNA (ctDNA) is poised to transform care through accurate assessment of minimal residual disease (MRD) and therapeutic response monitoring. To overcome the sparsity of ctDNA fragments in low tumor fraction (TF) settings and increase MRD sensitivity, we previously leveraged genome-wide mutational integration through plasma whole genome sequencing (WGS). We now introduce MRD-EDGE, a composite machine learning-guided WGS ctDNA single nucleotide variant (SNV) and copy number variant (CNV) detection platform designed to increase signal enrichment. MRD-EDGE uses deep learning and a ctDNA-specific feature space to increase SNV signal to noise enrichment in WGS by 300X compared to our previous noise suppression platform MRDetect. MRD-EDGE also reduces the degree of aneuploidy needed for ultrasensitive CNV detection through WGS from 1Gb to 200Mb, thereby expanding its applicability to a wider range of solid tumors. We harness the improved performance to track changes in tumor burden in response to neoadjuvant immunotherapy in non-small cell lung cancer and demonstrate ctDNA shedding in precancerous colorectal adenomas. Finally, the radical signal to noise enrichment in MRD-EDGE enables de novo mutation calling in melanoma without matched tumor, yielding clinically informative TF monitoring for patients on immune checkpoint inhibition.

ABSTRACT Dopaminergic neurons are critical to movement, mood, addiction, and stress. Current techniques for generating dopaminergic neurons from human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) yield heterogenous cell populations with variable purity and inconsistent reproducibility between donors, hiPSC clones, and experiments. Here, we report the rapid (5 weeks) and efficient (~90%) induction of induced dopaminergic neurons (iDANs) through transient overexpression of lineage-promoting transcription factors combined with stringent selection across five donors. We observe maturation-dependent increase in dopamine synthesis, together with electrophysiological properties consistent with midbrain dopaminergic neuron identity, such as slow-rising after hyperpolarization potentials, an action potential duration of ~3ms, tonic sub-threshold oscillatory activity, and spontaneous burst firing at frequency of ~1.0-1.75 Hz. Transcriptome analysis reveals robust expression of genes involved in fetal midbrain dopaminergic neuron identity. Specifically expressed genes in iDANs, relative to their isogenic glutamatergic and GABAergic counterparts, were linked to the genetic risk architecture of a broad range of psychiatric traits, with iDANs showing particularly strong enrichment in loci conferring heritability for cannabis use disorder, schizophrenia, and bipolar disorder. Therefore, iDANs provide a critical tool for modeling midbrain dopaminergic neuron development and dysfunction in psychiatric disease.

Abstract To explore modular organization of chromosomes in schizophrenia (SCZ) and bipolar disorder (BD), we applied ‘population-scale’ correlational structuring of 739 histone H3-lysine 27 acetylation and H3-lysine 4 trimethylation profiles, generated from the prefrontal cortex (PFC) of 568 cases and controls. Neuronal histone acetylomes and methylomes assembled as thousands of cis-regulatory domains (CRDs), revealing fine-grained, kilo-to megabase scale chromatin organization at higher resolution but firmly integrated into Hi-C chromosomal conformations. Large clusters of domains that were hyperacetylated in disease shared spatial positioning within the nucleus, predominantly regulating PFC projection neuron function and excitatory neurotransmission. Hypoacetylated domains were linked to inhibitory interneuron- and myelination-relevant genes. Chromosomal modular architecture is affected in SCZ and BD, with hyperacetylated domains showing unexpectedly strong convergences defined by cell type, nuclear topography, genetic risk, and active chromatin state across a wide developmental window.

Abstract Transposable elements become increasingly active in both cancerous and aging cells, driven by loss of DNA methylation as cells divide. Here we leverage the epigenomes of colon cancers with matched adjacent tissue, in addition to non-cancerous normals and cell line models, to assess the role of transposable elements as drivers or passengers in cancer development. Using the baseline of activity from normal and adjacent tissue, we show that the youngest subfamilies of the LINE1 (L1) family exhibit a degree of activity and recurrence across patients that goes beyond what is expected from hypomethylation and cell division, suggesting an additional mechanism of oncogenic reactivation. We characterize this mechanism and find that the loss of the tumor suppressor PLZF drives young L1 reactivation in a cell-division-independent manner. PLZF de-repression exposes abundant motifs for tumor core factors in the L1 5’UTR. Active young L1s act as oncogenic enhancers, interacting with oncogenes via gained chromatin loops. We uncover oncogenic L1 reactivation as a hallmark of colon cancer, where young L1s activate universally in our cohort at high levels of recurrence, act as enhancers to oncogenes, and become wired into the core regulatory circuitry of colon cancer.

ABSTRACT Common variants associated with schizophrenia are concentrated in non-coding regulatory sequences, but their precise target genes are context-dependent and impacted by cell-type-specific three-dimensional spatial chromatin organization. Here, we map long-range chromosomal conformations in isogenic human dopaminergic, GABAergic, and glutamatergic neurons to track developmentally programmed shifts in the regulatory activity of schizophrenia risk loci. Massive repressive compartmentalization, concomitant with the emergence of hundreds of neuron-specific multi-valent chromatin architectural stripes, occurs during neuronal differentiation, with genes interconnected to genetic risk loci through these long-range chromatin structures differing in their biological roles from genes more proximal to sequences conferring heritable risk. Chemically induced CRISPR-guided chromosomal loop-engineering for the proximal risk gene SNAP91 and distal risk gene BHLHE22 profoundly alters synaptic development and functional activity. Our findings highlight the large-scale cell-type-specific reorganization of chromosomal conformations at schizophrenia risk loci during neurodevelopment and establish a causal link between risk-associated gene-regulatory loop structures and neuronal function.

ABSTRACT Here, we construct genome-scale maps for R-loops, three-stranded nucleic acid structures comprised of a DNA/RNA hybrid and a displaced single strand of DNA, in the proliferative and differentiated zones of the human prenatal brain. We show that R-loops are abundant in the progenitor-rich germinal matrix, with preferential formation at promoters slated for upregulated expression at later stages of differentiation, including numerous neurodevelopmental risk genes. RNase H1-mediated contraction of the genomic R-loop space in neural progenitors shifted differentiation toward the neuronal lineage and was associated with transcriptomic alterations and defective functional and structural neuronal connectivity in vivo and in vitro . Therefore, R- loops are important for fine-tuning differentiation-sensitive gene expression programs of neural progenitor cells.

Cytosine modifications in DNA such as 5-methylcytosine (5mC) underlie a broad range of developmental processes, maintain cellular lineage specification, and can define or stratify cancer and other diseases. However, the wide variety of approaches available to interrogate these modifications has created a need for harmonized materials, methods, and rigorous benchmarking to improve genome-wide methylome sequencing applications in clinical and basic research. Here, we present a multi-platform assessment and a global resource for epigenetics research from the FDA's Epigenomics Quality Control (EpiQC) Group. The study design leverages seven human cell lines that are designated as reference materials and publicly available from the National Institute of Standards and Technology (NIST) and Genome in a Bottle (GIAB) consortium. These samples were subject to a variety of genome-wide methylation interrogation approaches across six independent laboratories, with a primary focus on 5-methylcytosine modifications. Each sample was processed in two or more technical replicates by three whole-genome bisulfite sequencing (WGBS) protocols (TruSeq DNA methylation, Accel-NGS MethylSeq, and SPLAT), oxidative bisulfite sequencing (TrueMethyl), enzymatic deamination method (EMseq), targeted methylation sequencing (Illumina Methyl Capture EPIC), and single-molecule long-read nanopore sequencing from Oxford Nanopore Technologies. After rigorous quality assessment and comparison to Illumina EPIC methylation microarrays and testing on a range of algorithms (Bismark, BitmapperBS, BWAMeth, and GemBS), we found overall high concordance between assays (R=0.87-0.93), differences in efficiency of read mapping, CpG capture, coverage, and platform performance. The data provided herein can guide continued used of these reference materials in epigenomics assays, as well as provide best practices for epigenomics research and experimental design in future studies.