Abstract Interrogating regulatory epigenetic alterations during tumor progression at the resolution of single cells has remained an understudied area of research. Here we developed a highly sensitive single-nucleus CUT&RUN (snCUT&RUN) assay to profile histone modifications in isogenic primary, metastatic, and cisplatin-resistant head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC) patient-derived tumor cell lines. We find that the epigenome can be involved in diverse modes to contribute towards HNSCC progression. First, we demonstrate that gene expression changes during HNSCC progression can be co-modulated by alterations in both copy number and chromatin activity, driving epigenetic rewiring of cell-states. Furthermore, intratumour epigenetic heterogeneity (ITeH) may predispose sub-clonal populations within the primary tumour to adapt to selective pressures and foster the acquisition of malignant characteristics. In conclusion, snCUT&RUN serves as a valuable addition to the existing toolkit of single-cell epigenomic assays and can be used to dissect the functionality of the epigenome during cancer progression.

SUMMARY Lymphocyte biology research commonly involves purification of lymphocyte subpopulations by fluorescence-activated cell sorting (FACS) or immunomagnetic separation (IMS), both of which typically rely on antibody labeling of validated cell markers. Methods enabling label-free segregation of lymphocyte subpopulations would be invaluable with regard to less-perturbation, simplicity and cost-effectiveness. Here, we introduce TRuST, a label-free approach for T cell r econstitution u sing s ide-scat t er (SSC). TRuST-sorted SSC low cells enrich for CD4 + T and naïve T cells, while SSC high cells enrich for CD8 + T, NK and differentiated T cells. Enrichment purity can be improved by computational gate design. SSC low cells have superior expansion capacity and generate more central memory precursors with naïve-resembling cytokine responses. Moreover, we find that both T cell differentiation status and CD4/CD8 T ratio in the starting cellular material are critical attributes predicting T cell product quality and quantity. TRuST presents an effective and reliable technique for label-free lymphocytes selection and reconstitution.

Abstract Genome wide analysis of cell-free DNA (cfDNA) methylation profile has been shown to be a promising approach for sensitive and specific multi-cancer detection. However, scaling these assays for clinical translation is impractical due to the high cost of whole genome bisulfite sequencing. We showed that the small fraction of GC-rich genome is highly enriched in CpG sites and disproportionately harbored the majority of cancer-specific methylation signature. Here, we report on the simple but effective Heat enrichment of CpG-rich regions for Bisulfite Sequencing (Heatrich-BS) platform that enables focused methylation profiling in these highly informative regions. Our novel method and bioinformatics algorithm enable high accuracy and sensitivity in tumor burden estimation and quantitative monitoring of colorectal patient response to treatment, at much reduced sequencing requirement. Heatrich-BS holds great potential for highly scalable screening and regular monitoring of cancer using liquid biopsy.

Interrogating regulatory epigenetic alterations during tumor progression at the resolution of single cells has remained an understudied area of research. Here we developed a highly sensitive single-nucleus CUT&RUN (snCUT&RUN) assay to profile histone modifications in isogenic primary, metastatic, and cisplatin-resistant head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC) patient-derived tumor cell lines. We find that the epigenome can be involved in diverse modes to contribute towards HNSCC progression. First, we demonstrate that gene expression changes during HNSCC progression can be comodulated by alterations in both copy number and chromatin activity, driving epigenetic rewiring of cell states. Furthermore, intratumour epigenetic heterogeneity (ITeH) may predispose subclonal populations within the primary tumour to adapt to selective pressures and foster the acquisition of malignant characteristics. In conclusion, snCUT&RUN serves as a valuable addition to the existing toolkit of single-cell epigenomic assays and can be used to dissect the functionality of the epigenome during cancer progression.