Abstract The rapid emergence of coronavirus disease 2019 (COVID-19) as a global pandemic affecting millions of individuals globally has necessitated sensitive and high-throughput approaches for the diagnosis, surveillance and for determining the genetic epidemiology of SARS-CoV-2. In the present study, we used the COVIDSeq protocol, which involves multiplex-PCR, barcoding and sequencing of samples for high-throughput detection and deciphering the genetic epidemiology of SARS-CoV-2. We used the approach on 752 clinical samples in duplicates, amounting to a total of 1536 samples which could be sequenced on a single S4 sequencing flow cell on NovaSeq 6000. Our analysis suggests a high concordance between technical duplicates and a high concordance of detection of SARS-CoV-2 between the COVIDSeq as well as RT-PCR approaches. An in-depth analysis revealed a total of six samples in which COVIDSeq detected SARS-CoV-2 in high confidence which were negative in RT-PCR. Additionally, the assay could detect SARS-CoV-2 in 21 samples and 16 samples which were classified inconclusive and pan-sarbeco positive respectively suggesting that COVIDSeq could be used as a confirmatory test. The sequencing approach also enabled insights into the evolution and genetic epidemiology of the SARS-CoV-2 samples. The samples were classified into a total of 3 clades. This study reports two lineages B.1.112 and B.1.99 for the first time in India. This study also revealed 1,143 unique single nucleotide variants and added a total of 73 novel variants identified for the first time. To the best of our knowledge, this is the first report of the COVIDSeq approach for detection and genetic epidemiology of SARS-CoV-2. Our analysis suggests that COVIDSeq could be a potential high sensitivity assay for detection of SARS-CoV-2, with an additional advantage of enabling genetic epidemiology of SARS-CoV-2.

ABSTRACT Coronavirus disease 2019 (COVID-19) rapidly spread from a city in China to almost every country in the world, affecting millions of individuals. Genomic approaches have been extensively used to understand the evolution and epidemiology of SARS-CoV-2 across the world. Kerala is a unique state in India well connected with the rest of the world through a large number of expatriates, trade, and tourism. The first case of COVID-19 in India was reported in Kerala in January 2020, during the initial days of the pandemic. The rapid increase in the COVID-19 cases in the state of Kerala has necessitated the understanding of the genetic epidemiology of circulating virus, evolution, and mutations in SARS-CoV-2. We sequenced a total of 200 samples from patients at a tertiary hospital in Kerala using COVIDSeq protocol at a mean coverage of 7,755X. The analysis identified 166 unique high-quality variants encompassing 4 novel variants and 89 new variants identified for the first time in SARS-CoV-2 samples isolated from India. Phylogenetic and haplotype analysis revealed that the circulating population of the virus was dominated (94.6% of genomes) by three distinct introductions followed by local spread, apart from identifying polytomies suggesting recent outbreaks. The genomes formed a monophyletic distribution exclusively mapping to the A2a clade. Further analysis of the functional variants revealed two variants in the S gene of the virus reportedly associated with increased infectivity and 5 variants that mapped to five primer/probe binding sites that could potentially compromise the efficacy of RT-PCR detection. To the best of our knowledge, this is the first and most comprehensive report of genetic epidemiology and evolution of SARS-CoV-2 isolates from Kerala.

Abstract Objective CROP-Seq combines gene silencing using CRISPR interference (CRISPRi) with single-cell RNA sequencing (scRNA-Seq) to conduct a functional reverse genetic screen of novel gene targets associated with adipocyte differentiation or function, with single-cell transcriptomes as the readout. Methods We created a human preadipocyte SGBS cell line with stable expression of KRAB-dCas9 for CRISPRi-mediated gene knock-down. This line was transduced with a lentiviral library of sgRNAs targeting 6 genes of interest (3 sgRNAs / gene, 18 sgRNAs), 6 positive control genes (3 sgRNAs / gene, 18 sgRNAs), and non-targeting control sgRNAs (4 sgRNAs). Transduced cells were selected and differentiated, and individual cells were captured using microfluidics at day 0, 4 and 8 of adipogenic differentiation. Next, expression and sgRNA libraries were created and sequenced. Bioinformatic analysis of resulting scRNA-Seq expression data was used to determine the effects of gene knock-down and the dysregulated pathways, and to predict cellular phenotypes. Results Single-cell transcriptomes obtained from SGBS cells following CRISPRi recapitulate different states of differentiation from preadipocytes to adipocytes. We confirmed successful knock-down of targeted genes. Transcriptome-wide changes were observed for all targeted genes, with over 400 differentially expressed genes identified per gene at least at one timepoint. Knock-down of known adipogenesis regulators PPARG and CEBPB inhibited adipogenesis. Gene set enrichment analyses revealed molecular processes for adipose tissue differentiation and function for novel genes. MAFF knock-down led to a downregulation of transcriptional response to proinflammatory cytokine TNF-α in preadipocytes. TIPARP knock-down resulted in an increase in the expression of a beiging marker UCP1 at D8 of adipogenesis. Conclusions The CROP-Seq system in SGBS cells can determine the consequences of target gene knock-down at the transcriptome level. This powerful, hypothesis-free tool can identify novel regulators of adipogenesis, preadipocyte and adipocyte function associated with metabolic disease. Highlights CRISPR interference screen coupled with single-cell RNA sequencing (CROP-Seq) Parallel screening of 12 genes in human SGBS adipocytes and preadipocytes Uncovered novel regulators of adipogenesis and adipocyte function Graphical abstract

Adenosine-to-inosine (A-to-I) RNA editing is a common RNA modification catalyzed by ADAR enzymes. ADAR1 serves a crucial function to edit specific immunogenic double stranded RNA (dsRNA) to prevent the dsRNA sensor, MDA5 ( IFIH1 ), activating an interferon stimulated gene (ISG) response. Discoveries in human genetics now implicate deficient ADAR1 RNA editing as a causal mechanism for coronary artery disease (CAD) risk. Here, we show that human atherosclerotic smooth muscle cells (SMCs) express immunogenic RNA at markedly higher levels compared to all other cell types. We demonstrate that ADAR1 is the master regulator of RNA editing in primary human coronary artery SMC (HCASMC) and loss of RNA editing causes activation of MDA5, characterized by upregulation of ISG genes (i.e. ISG15 ) and others with known roles in SMC phenotypic transition and CAD risk (i.e. KLF4 ). ADAR1 and MDA5 regulate SMC phenotypic modulation and calcification in vitro . In a high fat diet atherosclerosis model, scRNAseq analysis revealed SMC to have increasing ISG expression with phenotypic modulation. To evaluate SMC RNA editing in vivo , we generated a conditional SMC specific Adar1 KD mouse ( Adar1 flox/flox , Myh11 CreERT2 , ROSA tdT/+ , ApoE -/- ). At 2 weeks following SMC- Adar1 KD, we observed 50% mortality with a severe phenotype of elastin degradation and disarray, intravascular hemorrhage, and inflammatory cell infiltration in the aortic wall. scRNAseq of aortic tissue showed that SMC- Adar1 KD causes ISG activation and coordinates a complex transcriptional response throughout the vessel wall with robust macrophage cell infiltration. Through evaluation of ligand-receptor interaction, we show that Ccl5:Ccr5 is the principal regulator of cell infiltration following SMC- Adar1 KD. Through study of SMC- Adar1 haploinsufficiency in the atherosclerosis mouse model, we further reveal that MDA5 activation occurs in SMC phenotypic modulation and accelerates formation of chondromyocytes — indicating a cell type and context specific requirement of RNA editing. Through this work, we describe a fundamental new mechanism of CAD, where RNA editing and sensing of dsRNA mediates disease progression, promoting our understanding of disease causality and CAD genetic risk.

We have recently identified rs2019090 and PDGFD as the functional variant and gene mediating CAD risk at the 11q22.3 locus, with our initial analysis using a global knockout (KO) model showing that this gene may promote phenotypic changes in smooth muscle cells (SMCs) in the plaque and contribute to neointimal vascular calcification. Nonetheless, the specific cell-type and phenotypic states through which PDGFD may confer disease risk remains unexplored.To delineate the impact of SMC-derived PDGFD signalling on cell state transitions and plaque progression in atherosclerosis, we have developed a novel SMC-specific lineage tracing and Pdgfd KO mouse ( Pdgfd ΔSMC/ΔSMC , Myh11 CreERT2 , ROSA tdT/+ , ApoE -/- ) allowing us to confidently define the impact of SMC-derived Pdgfd in the vascular SMC lineage as well as in neighbouring populations. Leveraging our lineage tracing KO mutants on a hypercholesterolemic diet, we have employed single cell RNA sequencing (scRNAseq) and histological analyses to characterize the cellular and molecular effect of Pdgfd in vascular disease. SMC-specific Pdgfd deletion resulted in alterations in the distribution of transitioning SMC populations, as well as previously unexplored gene expression differences within these cell types. This was accompanied by a significant reduction in atherosclerotic burden and plaque size across the aorta, including aortic root as well as descending abdominal aorta. Histological analysis revealed decreased monocyte recruitment, show by quantifying CD68+ cells within the plaque. To explore this further we interrogated the scRNAseq dataset to identify major pathways of cell-cell communication and the impact of altered Pdgfd signalling across different cell types. Overall, these data reveal that SMC-derived PDGFD substantially alters lesional SMC cell phenotype transitions, as well as inflammatory cell recruitment, implicating it as a major regulator of atherosclerotic disease progression.

Abstract Coronavirus disease (COVID-19) emerged from a city in China and has now spread as a global pandemic affecting millions of individuals. The causative agent, SARS-CoV-2 is being extensively studied in terms of its genetic epidemiology using genomic approaches. Andhra Pradesh is one of the major states of India with the third-largest number of COVID-19 cases with limited understanding of its genetic epidemiology. In this study, we have sequenced 293 SARS-CoV-2 genome isolates from Andhra Pradesh with a mean coverage of 13,324X. We identified 564 high-quality SARS-CoV-2 variants, out of which 15 are novel. A total of 18 variants mapped to RT-PCR primer/probe sites, and 4 variants are known to be associated with an increase in infectivity. Phylogenetic analysis of the genomes revealed the circulating SARS-CoV-2 in Andhra Pradesh majorly clustered under the clade A2a (94%), while 6% fall under the I/A3i clade, a clade previously defined to be present in large numbers in India. To the best of our knowledge, this is the most comprehensive genetic epidemiological analysis performed for the state of Andhra Pradesh.

Abstract Mapping the genomic architecture of complex disease has been predicated on the understanding that genetic variants influence disease risk through modifying gene expression. However, recent discoveries have revealed that a significant burden of disease heritability in common autoinflammatory disorders and coronary artery disease is mediated through genetic variation modifying post-transcriptional modification of RNA through adenosine-to-inosine (A-to-I) RNA editing. This common RNA modification is catalyzed by ADAR enzymes, where ADAR1 edits specific immunogenic double stranded RNA (dsRNA) to prevent activation of the double strand RNA (dsRNA) sensor MDA5 ( IFIH1 ) and stimulation of an interferon stimulated gene (ISG) response. Multiple lines of human genetic data indicate impaired RNA editing and increased dsRNA sensing to be an important mechanism of coronary artery disease (CAD) risk. Here, we provide a crucial link between observations in human genetics and mechanistic cell biology leading to progression of CAD. Through analysis of human atherosclerotic plaque, we implicate the vascular smooth muscle cell (SMC) to have a unique requirement for RNA editing, and that ISG induction occurs in SMC phenotypic modulation, implicating MDA5 activation. Through culture of human coronary artery SMCs, generation of a conditional SMC specific Adar1 deletion mouse model on a pro-atherosclerosis background, and with incorporation of single cell RNA sequencing cellular profiling, we further show that Adar1 controls SMC phenotypic state, is required to maintain vascular integrity, and controls progression of atherosclerosis and vascular calcification. Through this work, we describe a fundamental mechanism of CAD, where cell type and context specific RNA editing and sensing of dsRNA mediates disease progression, bridging our understanding of human genetics and disease causality.

Abstract Rationale Vascular beds have distinct susceptibility to atherosclerosis and aneurysm, yet the biological underpinnings of vascular bed specific disease risk are largely unknown. Vascular tissues have different developmental origins which may influence global chromatin accessibility. Understanding chromatin accessibility and gene expression profiles on single cell resolution is crucial to gain insight into vascular bed specific disease risk. Objective We aim to understand, at single cell resolution, the global chromatin accessibility and gene expression profiles across distinct vascular beds in the healthy adult mouse to provide insight into the potential mechanisms of vascular bed specific disease risk. Methods and Results We performed single cell chromatin accessibility (scATACseq) and gene expression profiling (scRNAseq) of healthy adult mouse vascular tissue from three vascular beds, 1) aortic root and ascending aorta, 2) brachiocephalic and carotid artery, and 3) descending thoracic aorta. By integrating datasets and comparing vascular beds within cell type, we identified thousands of differentially accessible chromatin peaks within smooth muscle cells, fibroblasts, and endothelial cells, demonstrating numerous enhancers to be vascular bed specific. We revealed an epigenetic ‘memory’ of embryonic origin with differential chromatin accessibility of key developmental transcription factors such as Tbx20 , Hand2 , Gata4 , and Hoxb family members. Increased transcription factor motif accessibility in ascending fibroblasts compared to descending further highlights SMAD2/3 functions and suggests a differential susceptibility to TGFβ. By isolating primary adventitial fibroblasts from ascending and descending thoracic aorta from adult mice, we demonstrate ascending fibroblasts to have a distinctly higher transcriptional response to TGFβ compared to descending fibroblasts, highlighting that distinct chromatin accessibility between vascular beds is retained following primary in vitro culture and influences responsiveness to disease relevant signaling. Conclusions This work supports a paradigm that the epigenomic and transcriptional landscapes of vascular cells are cell type and vascular bed specific and that differentially accessible regions are enriched for disease risk genes.

Platelet derived growth factor (PDGF) signaling has been extensively studied in the context of vascular disease, but the genetics of this pathway remain to be established. Genome wide association studies (GWAS) for coronary artery disease (CAD) have identified a risk locus at 11q22.3, and we have verified with fine mapping approaches that the regulatory variant rs2019090 and PDGFD represent the functional variant and putative functional gene. Further, FOXC1/C2 transcription factor (TF) binding at rs2019090 was found to promote PDGFD transcription through the CAD promoting allele. Employing a constitutive Pdgfd knockout allele along with SMC lineage tracing in a male atherosclerosis mouse model we mapped single cell transcriptomic, cell state, and lesion anatomical changes associated with gene loss. These studies revealed that Pdgfd promotes expansion, migration, and transition of SMC lineage cells to the chondromyocyte phenotype and vascular calcification. This is in contrast to protective CAD genes TCF21, ZEB2, and SMAD3 which we have shown to promote the fibroblast-like cell transition or perturb the pattern or extent of transition to the chondromyocyte phenotype. Further, Pdgfd expressing fibroblasts and pericytes exhibited greater expression of chemokines and leukocyte adhesion molecules, consistent with observed increased macrophage recruitment to the plaque. Despite these changes there was no effect of Pdgfd deletion on SMC contribution to the fibrous cap or overall lesion burden. These findings suggest that PDGFD mediates CAD risk through promoting SMC expansion and migration, in conjunction with deleterious phenotypic changes, and through promoting an inflammatory response that is primarily focused in the adventitia where it contributes to leukocyte trafficking to the diseased vessel wall.