Abstract Host response aimed at eliminating the infecting pathogen, as well as the pathogen itself, can cause tissue injury. Tissue injury leads to the release of a myriad of cellular components including mitochondrial DNA, which the host senses through pattern recognition receptors. How the sensing of tissue injury by the host shapes the anti-pathogen response remains poorly understood. In this study, we utilized mice that are deficient in toll-like receptor-9 (TLR9), which binds to unmethylated CpG DNA sequences such as those present in bacterial and mitochondrial DNA. To avoid direct pathogen sensing by TLR9, we utilized the influenza virus, which lacks ligands for TLR9, to determine how damage sensing by TLR9 contributes to anti-influenza immunity. Our data show that TLR9-mediated sensing of tissue damage promotes an inflammatory response during early infection, driven by the epithelial and myeloid cells. Along with the diminished inflammatory response, the absence of TLR9 led to impaired viral clearance manifested as a higher and prolonged influenza components in myeloid cells including monocytes and macrophages rendering them highly inflammatory. The persistent inflammation driven by infected myeloid cells led to persistent lung injury and impaired recovery in influenza-infected TLR9-/-mice. Further, we show elevated TLR9 activation in the plasma samples of patients with influenza and its association with the disease severity in hospitalized patients, demonstrating its clinical relevance. Overall, we demonstrate an essential role of damage sensing through TLR9 in promoting anti-influenza immunity and inflammatory response. Author Summary Tissue damage is an inevitable outcome of clinically relevant lung infections, but the host mechanisms for detecting such damage during infection are not well understood. We investigated the role of Toll-like receptor 9 (TLR9) in sensing tissue damage caused by influenza. Since influenza lacks TLR9 ligands, we hypothesized that TLR9 signaling is driven by tissue damage molecules like mitochondrial DNA (mtDNA). Our data indicate that TLR9 reduces early inflammatory lung injury but impairs viral clearance, resulting in extensive immune cell infection, persistent inflammation, and delayed recovery. Myeloid-specific TLR9 deletion ameliorated late-stage inflammatory responses. In humans, influenza-infected individuals exhibited elevated TLR9 activity and mtDNA levels in plasma compared to healthy controls, with higher TLR9 activation potential correlating with severe disease requiring ICU admission. These findings suggest that TLR9-mediated damage sensing triggers both inflammatory tissue injury and viral clearance. These data indicate that TLR9 activity can serve as a crucial biomarker and therapeutic target to limit influenza induced tissue injury.

Abstract Methods that link genetic variation to steady-state gene expression levels, such as expression quantitative trait loci (eQTLs), are widely used to functionally annotate trait-associated variants, but they are limited in identifying context-dependent effects on transcription. To address this challenge, we developed the cistrome-wide association study (CWAS), a framework for nominating variants that impact traits through their effects on chromatin state. CWAS associates the genetic determinants of cistromes ( e.g. , the genome-wide profiles of transcription factor binding sites or histone modifications) with traits using summary statistics from genome-wide association studies (GWAS). We performed CWASs of prostate cancer and androgen-related traits, using a reference panel of 307 prostate cistromes from 165 individuals. CWAS nominated susceptibility regulatory elements or androgen receptor (AR) binding sites at 52 out of 98 known prostate cancer GWAS loci and implicated an additional 17 novel loci. We functionally validated a subset of our results using CRISPRi and in vitro reporter assays. At 28 of the 52 risk loci, CWAS identified regulatory mechanisms that are not observable via eQTLs, implicating genes with complex or context-specific regulation that are overlooked by current approaches that relying on steady-state transcript measurements. CWAS genes include transcription factors that govern prostate development such as NKX3-1 , HOXB13 , GATA2 , and KLF5 . Moreover, CWAS boosts discovery power in modestly sized GWAS, identifying novel genetic associations mediated through AR binding for androgen-related phenotypes, including resistance to prostate cancer therapy. CWAS is a powerful and biologically interpretable paradigm for studying variants that influence traits by affecting context-dependent transcriptional regulation.

The current understanding of tumorigenesis is largely centered on a monogenic driver oncogene model. This paradigm is incompatible with the prevailing clinical experience in most solid malignancies: monotherapy with a drug directed against an individual oncogenic driver typically results in incomplete clinical responses and eventual tumor progression1-7. By profiling the somatic genetic alterations present in over 2,000 cases of lung cancer, the leading cause of cancer mortality worldwide8,9, we show that combinations of functional genetic alterations, i.e. genetic collectives dominate the landscape of advanced-stage disease. We highlight this polygenic landscape and evolution of advanced-stage non-small cell lung cancer (NSCLC) through the spatial-temporal genomic profiling of 7 distinct tumor biopsy specimens and 6 plasma specimens obtained from an EGFR-mutant NSCLC patient at (1) initial diagnosis of early-stage disease, (2) metastatic progression, (3) sequential treatment and resistance to 2 EGFR inhibitors, (4) death. The comprehensive genomic analysis of this case, coupled with circulating free (cf) tumor DNA profiling of additional advanced-stage EGFR-mutant NSCLC clinical cohorts with associated treatment responses uncovered features of evolutionary selection for multiple concurrent gene alterations: including the presence of EGFR inhibitor-sensitive (EGFRL858R;EGFRexon19del) or inhibitor-resistant (EGFRT790M;EGFRC797S) forms of oncogenic EGFR along with cell cycle gene alterations (e.g. in CDK4/6, CCNE1, RB1) and activating alterations in WNT/β-catenin and PI3K pathway genes, which our data suggest can cooperatively impart non-redundant functions to limit EGFR targeted therapy response and/or promote tumor progression. Moreover, evidence of an unanticipated parallel evolution of both EGFRT790M and two distinct forms of oncogenic PIK3CA was observed. Our study provides a large-scale clinical and genetic dataset of advanced-stage EGFR-mutant NSCLC, a rationale for specific polytherapy strategies such as EGFR and CDK4/6 inhibitor co-treatment to potentially enhance clinical outcomes, and prompts a re-evaluation of the prevailing paradigm of monogenic-based molecular stratification for targeted therapy. Instead, our findings highlight an alternative model of genetic collectives that operate through epistasis to drive lung cancer progression and therapy resistance.