Biological age (BA) has been proposed to evaluate the aging status instead of chronological age (CA). Our study shows evidence that there might be multiple "clocks" within the whole-body system: systemic aging drivers/clocks overlaid with organ/tissue-specific counterparts. We utilize multi-omics data, including clinical tests, immune repertoire, targeted metabolomic molecules, gut microbiomes, physical fitness examinations, and facial skin examinations, to estimate the BA of different organs (e.g., liver, kidney) and systems (immune and metabolic system). The aging rates of organs/systems are diverse. People's aging patterns are different. We also demonstrate several applications of organs/systems BA in two independent datasets. Mortality predictions are compared among organs' BA in the dataset of the United States National Health and Nutrition Examination Survey. Polygenic risk score of BAs constructed in the Chinese Longitudinal Healthy Longevity Survey cohort can predict the possibility of becoming centenarian.

ABSTRACT Fecal microbiota transplantation (FMT), which is thought to have the potential to correct dysbiosis of gut microbiota, has recently been used to treat inflammatory bowel disease (IBD). To elucidate the extent and principles of microbiota engraftment in IBD patients after FMT treatment, we conducted an interventional prospective cohort study. The cohort included two categories of patients: (1) patients with moderate to severe Crohn’s disease (CD) (Harvey-Bradshaw Index ≥ 7, n = 11, and (2) patients with ulcerative colitis (UC) (Montreal classification, S2 and S3, n = 4). All patients were treated with a single FMT (via mid-gut, from healthy donors) and follow-up visits were performed at baseline, 3 days, one week, and one month after FMT (missing time points included). At each follow-up time point, fecal samples of the participants were collected along with their clinical metadata. For comparative analysis, 10 fecal samples from 10 healthy people were included to represent the diversity level of normal gut microbiota. Additionally, the metagenomic data of 25 fecal samples from 5 individuals with metabolic syndrome who underwent autologous FMT treatment were downloaded from a previous published paper to represent natural microbiota shifts during FMT. All fecal samples underwent shotgun metagenomic sequencing. We found that 3 days after FMT, 11 out of 15 recipients were in remission (3 out of 4 UC recipients; 8 out of 11 CD recipients). Generally, bacterial colonization was observed to be lower in CD recipients than in UC recipients at both species and strain levels. Furthermore, across species, different strains displayed disease-specific displacement advantages under two-disease status. Finally, most post-FMT species (> 80%) could be properly predicted (AUC > 85%) using a random forest classification model, with the gut microbiota composition and clinical parameters of pre-FMT recipients acting as the most contributive factors for prediction accuracy.

Teratoma, due to its remarkable ability to differentiate into multiple cell lineages, is a valuable model for studying human embryonic development. The similarity of the gene expression and chromatin accessibility patterns in these cells to those observed in vivo further underscores its potential as a research tool. Notably, teratomas derived from human naïve (pre-implantation epiblast-like) pluripotent stem cells (PSCs) have larger embryonic cell diversity and contain extraembryonic lineages, making them more suitable to study developmental processes. However, the cell type-specific epigenetic profiles of naïve PSC teratomas have not been yet characterized. Using single-cell assay for transposase-accessible chromatin sequencing (scATAC-seq), we analyzed 66,384 cell profiles from five teratomas derived from human naïve PSCs and their post-implantation epiblast-like (primed) counterparts. We observed 17 distinct cell types from both embryonic and extraembryonic lineages, resembling the corresponding cell types in human fetal tissues. Additionally, we identified key transcription factors specific to different cell types. Our dataset provides a resource for investigating gene regulatory programs in a relevant model of human embryonic development.

Abstract Cell-free DNA (cfDNA) profiling by next generation sequencing (NGS) has wide applications in cancer diagnosis, prognosis, and therapy response monitoring. One key step of cfDNA deep sequencing workflow is NGS library construction, whose efficiency determines effective sequencing depth, sequencing quality, and accuracy. In this study, we compared two different cfDNA library construction methods for the applications of mutation detection and methylation profiling: the conventional method which captures double-stranded DNA (dsDNA) molecules, namely the dsLib workflow, and an alternative method which captures single-stranded DNA (ssDNA), namely the ssLib workflow. Our results suggest that the dsLib method was preferrable for mutation detection while the ssLib method proved more efficient for methylation analysis. Our findings could help researchers choose more appropriate library construction method for corresponding downstream sequencing applications.

Abstract The CRISPR RNA-guided endonucleases Cas9, and Cas9-derived adenine/cytosine base editors (ABE/CBE), have been used in both research and therapeutic applications. However, broader use of this gene editing toolbox is hampered by the great variability of efficiency among different target sites. Here we present TRAP-seq, a versatile and scalable approach in which the CRISPR gRNA expression cassette and the corresponding surrogate site are captured by T argeted R eporter A nchored P ositional Seq uencing in cells. TRAP-seq can faithfully recapitulate the CRISPR gene editing outcomes introduced to the corresponding endogenous genome site and most importantly enables massively parallel quantification of CRISPR gene editing in cells. We demonstrate the utility of this technology for high-throughput quantification of SpCas9 editing efficiency and indel outcomes for 12,000 gRNAs in human embryonic kidney cells. Using this approach, we also showed that TRAP-seq enables high throughput quantification of both ABE and CBE efficiency at 12,000 sites in cells. This rich amount of ABE/CBE outcome data enable us to reveal several novel nucleotide features (e.g. preference of flanking bases, nucleotide motifs, STOP recoding types) affecting base editing efficiency, as well as designing improved machine learning-based prediction tools for designing SpCas9, ABE and CBE gRNAs of high efficiency and accuracy (>70%). We have integrated all the 12,000 CRISPR gene editing outcomes for SpCas9, ABE and CBE into a CRISPR-centered portal: The Human CRISPR Atlas. This study extends our knowledge on CRISPR gene and base editing, and will facilitate the application and development of CRISPR in both research and therapy.

ABSTRACT Although database search tools originally developed for shotgun proteome have been widely used in immunopeptidomic mass spectrometry identifications, they have been reported to achieve undesirably low sensitivities and/or high false positive rates as a result of the hugely inflated search space caused by the lack of specific enzymic digestions in immunopeptidome. To overcome such a problem, we have developed a motif-guided immunopeptidome database building tool named IntroSpect, which is designed to first learn the peptide motifs from high confidence hits in the initial search and then build a targeted database for refined search. Evaluated on three representative HLA class I datasets, IntroSpect can improve the sensitivity by an average of 80% comparing to conventional searches with unspecific digestions while maintaining a very high accuracy (∼96%) as confirmed by synthetic validation experiments. A distinct advantage of IntroSpect is that it does not depend on any external HLA data so that it performs equally well on both well-studied and poorly-studied HLA types, unlike a previously developed method SpectMHC. We have also designed IntroSpect to keep a global FDR that can be conveniently controlled, similar to conventional database search engines. Finally, we demonstrate the practical value of IntroSpect by discovering neoantigens from MS data directly. IntroSpect is freely available at https://github.com/BGI2016/IntroSpect .

Lymphovascular invasion (LVI) is a critical step in the metastatic process but have received relatively little attention due to the technical challenges associated with their isolation. In this study, we used laser capture microdissection (LCM) to isolate 97 cancer cell clusters from pathological frozen sections within lymphatic vessels, primary tumor tissue, and axillary lymph nodes of a triple negative breast cancer (TNBC) patient. Simultaneous genome and transcriptome amplification and sequencing (G&T-seq) performed on these clusters permitted a comprehensive depiction of the genomic and transcriptional profiles of cancer cells associated with LVI. Combination phylogeny analysis pointed to three evolutionarily distinct pathways of tumor clone development and metastasis in this patient, each of which was associated with a unique mRNA signature, and correlated to disparate overall survival outcomes. Moreover, hub gene evaluation found extensive down regulation of ribosomal protein mRNA to be a potential marker of poor prognosis in breast cancer patients.

Colorectal cancer (CRC) is a malignant cancer with high incidence and mortality in the world, as the result of the traditional treatments. Immunotherapy targeting neoantigens can induce durable tumor regression in cancer patients, but is almost limited to individual treatment, resulting from the unique neoantigens. Many shared oncogenic mutations are detected, but whether the common neoantigens can be identified in CRC is unknown. Using the somatic mutations data from 321 CRC patients combined with a filter standard and 7 predicted algorithms, we screened and obtained 25 HLA-A*11:01 restricted common neoantigens with high binding affinity (IC50<50 nM) and presentation score (>0.9). Except the positive epitope KRAS_G12V8-16, 11 out of 25 common neoantigens were proved to be naturally processed and presented on constructed K562 cell surface by mass spectroscopy (MS), and 11 out of 25 common neoantigens specifically induced in vitro pre-stimulated cytotoxic lymphocyte (CTL) to secrete IFN-γ. However, only 2 out of 25 common neoantigens were simultaneously presented and immunogenic. Moreover, using cell-sorting technology combined with single-cell RNA sequencing, the immune repertoire profiles of C1orf170_S418G413-421 and KRAS_G12V8-16-specific CTL were clarified. Therefore, common neoantigens with presentation and immunogenicity could be found in CRC, which would be developed as the universal targets for CRC immunotherapy.* Abbreviations : CRC : colorectal cancer MMR : deficient mismatch repair MSI-H : highly microsatellite instable pMMR : proficient mismatch repair MSS : microsatellite stable ADC : autologous tumor lysate DC CAR : chimeric antigen receptor TAA : tumor associated antigen CEA : carcinoembryonic antigen HER2 : human epidermal growth factor receptor-2 TSA : tumor-specific antigen MHC : major histocompatibility complex TMB : tumor mutational burden TCR : T-cell receptor PRM : parallel reaction monitoring TIL : tumor infiltrating lymphocyte MS : mass spectrometry ATCC : American Type Culture Collection PBMC : peripheral blood mononuclear cell ICGC : International Cancer Genome Consortium COCA-CN : China-Colorectal Cancer Project InDel : insertions or deletion EPIC : Epitope Presentation Integrated prediction MITD : MHC class I trafficking signal CTL : cytotoxic lymphocyte ELISPOT : enzyme-linked immunospot FACS : fluorescence-activated cell sorting GEM : Gel Bead in Emulsion

Abstract Cell free extrachromosomal circular DNA (eccDNA) is evolving as a potential biomarker in liquid biopsies for disease diagnosis. In this study, an optimized next generation sequencing-based Circle-Seq method was developed to investigate urinary cell free eccDNA (ucf-eccDNA) from 28 adult healthy volunteers (mean age = 28, 19 males/ 9 females). The genomic distributions and sequence compositions of ucf-eccDNAs were comprehensively characterized. Approximately 1.2 million unique ucf-eccDNAs are identified, covering 14.9% of the human genome. Comprehensive characterization of ucf-eccDNAs show that ucf-eccDNAs contain higher GC content than flanking genomic regions. Most eccDNAs are less than 1000 bp and present four pronounced peaks at 203, 361, 550 and 728 bp, indicating the association between eccDNAs and the numbers of intact nucleosomes. Analysis of genomic distribution of ucf-eccDNAs show that eccDNAs are found in all chromosomes but enriched in chromosomes i.e. chr.17, 19 and 20 with high density of protein-codding genes, CpG islands, SINE and simple repeat elements. Lastly, analysis of sequence motif signatures at eccDNA junction sites reveal that direct repeats (DRs) are commonly found, indicating a potential role of DRs in eccDNA biogenesis. This work underscores the deep sequencing analysis of ucf-eccDNAs and provides a valuable reference resource for exploring potential applications of ucf-eccDNA as diagnostic biomarkers of urogenital disorders in the future. Significance Statement Extrachromosomal circular DNA (eccDNA) is an important genetic element and a biomarker for disease diagnosis and treatment. In this study, we conduct a comprehensive characterization of urinary cell free eccDNA (ucf-eccDNA) in 28 heathy subjects. Over one million ucf-eccDNAs are identified. Ucf-eccDNAs are characterized as high GC content. The size of most ucf-eccDNAs is less than 1000 bp and enriched in four peaks resembling the size of single, double, triple, and quadruple nucleosomes. The genomic distribution of ucf-eccDNAs is enriched in generic regions, protein-coding genes, Alu, CpG islands, SINE and simple repeats. Sequence motif analysis of ucf-eccDNA junctions identified simple direct repeats (DRs) commonly presented in most eccDNAs, suggesting potential roles of DRs in eccDNA biogenesis.

Importance: Although a few studies have reported the effects of several polymorphisms on major adverse cardiovascular events (MACE) in patients with acute coronary syndromes (ACS) and those undergoing percutaneous coronary intervention (PCI), these genotypes account for only a small fraction of the variation and evidence is insufficient. This study aims to identify new genetic variants associated with MACE by large-scale sequencing data. Objective: To identify the genetic variants that caused MACE. Design: All patients in this study were allocated to dual antiplatelet therapy for up to 12 months and have the follow-up duration of 18 months. Setting: A two-stage association study was performed. Participants: We evaluated the associations of genetic variants and MACE in 1961 patients with ACS undergoing PCI (2009-2012), including high-depth whole exome sequencing of 168 patients in the discovery cohort and high-depth targeted sequencing of 1793 patients in the replication cohort. Main Outcomes and Measure: The primary clinical efficacy endpoint was the major adverse cardiovascular events (MACE) composite endpoint, including cardiovascular death, myocardial infarction (MI), stroke (CT or MR scan confirmed) and repeated revascularization (RR). Results: We discovered and confirmed six new genotypes associated with MACE in patients with ACS. Of which, rs17064642 at MYOM2 increased the risk of MACE (hazard ratio [HR] 2.76; P = 2.95E-9) and reached genome-wide significance. The other five suggestive variants were KRTAP10-4 (rs201441480), WDR24 (rs11640115), ECHS1 (rs140410716), AGAP3 (rs75750968) and NECAB1 (rs74569896). Notably, the expressions of MYOM2 and ECHS1 are down-regulated in both animal models and patients with phenotypes related to MACE. Importantly, we developed the first superior classifier for predicting MACE and achieved high predictive accuracy (0.809). Conclusions and Relevance: We identified six new genotypes associated with MACE and developed a superior classifier for predicting MACE. Our findings shed light on the pathogenesis of cardiovascular outcomes and may help clinician to make decision on the therapeutic intervention for ACS patients.