Abstract Ischemic heart disease is globally the leading cause of death. It plays a central role in the electrical and structural remodeling of the right atrium, predisposing to arrhythmias, heart failure, and sudden death. Here, we provide the first dissection of the gene expression changes in the live right atrial tissue, using single-nuclei RNA-seq and spatial transcriptomics. We investigate matched samples of the tissue and pericardial fluid and reveal substantial differences in disease- associated gene expression in all cell types, leading to inflammatory microvascular dysfunction and changes in the tissue composition. Our study demonstrates the importance of creating high- resolution cellular maps and partitioning disease signals beyond epicardial coronary arteries and ischemic left ventricle to identify candidate mechanisms leading to more severe types of human cardiovascular disease. One-Sentence Summary Single-cell dissection of ex vivo heart biopsies and pericardial fluid in ischemic heart disease and heart failure

Abstract Single nuclei RNA sequencing (snRNA-seq) remains a challenge for many human tissues, as incomplete removal of background signal masks cell-type-specific signals and interferes with downstream analyses. Here, we present QClus, a droplet-filtering algorithm targeted toward challenging samples, using cardiac tissue as an example. QClus uses specific metrics such as cell-type-specific marker gene expression to cluster nuclei and filter empty and highly contaminated droplets, providing reliable cleaning of samples with varying number of nuclei and contamination levels. In a benchmarking analysis against seven alternative methods across six datasets consisting of 252 samples and over 1.9 million nuclei, QClus achieved the highest quality in the greatest number of samples over all evaluated quality metrics and recorded no processing failures, while robustly retaining numbers of nuclei within the expected range. QClus combines high quality, automation, and robustness with flexibility and user-adjustability, catering to diverse experimental needs and datasets.

Pityriasis rubra pilaris (PRP) is a rare inflammatory skin disease with a poorly understood pathogenesis. Through a molecularly driven precision medicine approach and an extensive mechanistic pathway analysis in PRP skin samples, compared to psoriasis, atopic dermatitis, healed PRP, and healthy controls, we identified IL-1β as a key mediator, orchestrating an NF-κB–mediated IL-1β–CCL20 axis, including activation of CARD14 and NOD2. Treatment of three patients with the IL-1 antagonists anakinra and canakinumab resulted in rapid clinical improvement and reversal of the PRP-associated molecular signature with a 50% improvement in skin lesions after 2 to 3 weeks. This transcriptional signature was consistent with in vitro stimulation of keratinocytes with IL-1β. With the central role of IL-1β underscoring its potential as a therapeutic target, our findings propose a redefinition of PRP as an autoinflammatory keratinization disorder. Further clinical trials are needed to validate the efficacy of IL-1β antagonists in PRP.

MicroRNAs (miRNAs) are crucial for the regulation of gene expression and are promising biomarkers and therapeutic targets. miRNA isoforms (isomiRs) differ in their start/end offsets, which can impact the target gene selection and non-canonical function of the miRNA species. In addition, isomiRs frequently differ in their expression patterns from their parent miRNAs, yet their roles and tissue-specific responses are currently understudied, leading to their typical omission in miRNA research. Here, we evaluate the expression differences of isomiRs across conditions and their impact on standard miRNA-seq quantification results. We analyze 28 public miRNA-seq datasets, showing significant expression pattern differences between the isomiRs and their corresponding reference miRNAs, leading to misinterpretation of differential expression signals for both. As a case study, we generate a new dataset assessing isomiR abundance under hypoxia in human endothelial cells between the nuclear and cytosolic compartments. The results suggest that isomiRs are dramatically altered in their nuclear localization in response to hypoxia, indicating a potential non-canonical effect of the species, which would be missed without isomiR-aware analysis. Our results call for a comprehensive re-evaluation of the miRNA-seq analysis practices.

ABSTRACT Background Recent advances in xenotransplantation in living and decedent humans using pig xenografts have laid promising groundwork towards future emergency use and first in human trials. Major obstacles remain though, including a lack of knowledge of the genetic incompatibilities between pig donors and human recipients which may led to harmful immune responses against the xenograft or dysregulation of normal physiology. In 2022 two pig heart xenografts were transplanted into two brain-dead human decedents with a minimized immunosuppression regime, primarily to evaluate onset of hyper-acute antibody mediated rejection and sustained xenograft function over 3 days. Methods We performed multi-omic profiling to assess the dynamic interactions between the pig and human genomes in the first two pig heart-xenografts transplants into human decedents. To assess global and specific biological changes that may correlate with immune-related outcomes and xenograft function, we generated transcriptomic, lipidomic, proteomic and metabolomics datasets, across blood and tissue samples collected every 6 hours over the 3-day procedures. Results Single-cell datasets in the 3-day pig xenograft-decedent models show dynamic immune activation processes. We observe specific scRNA-seq, snRNA-seq and geospatial transcriptomic changes of early immune-activation leading to pronounced downstream T-cell activity and hallmarks of early antibody mediated rejection (AbMR) and/or ischemia reperfusion injury (IRI) in the first xenograft recipient. Using longitudinal multiomic integrative analyses from blood in addition to antigen presentation pathway enrichment, we also observe in the first xeno-heart recipient significant cellular metabolism and liver damage pathway changes that correlate with profound physiological dysfunction whereas, these signals are not present in the other xenograft recipient. Conclusions Single-cell and multiomics approaches reveal fundamental insights into early molecular immune responses indicative of IRI and/or early AbMR in the first human decedent, which was not evident in the conventional histological evaluations.

ABSTRACT MicroRNAs (miRNAs) are small RNA molecules that act as regulators of gene expression through targeted mRNA degradation. They are involved in many biological and pathophysiological processes and are widely studied as potential biomarkers and therapeutics agents for human diseases, including cardiovascular disorders. Recently discovered isoforms of miRNAs (isomiRs) exist in high quantities and are very diverse. Despite having few differences with their corresponding reference miRNAs, they display specific functions and expression profiles, across tissues and conditions. However, they are still overlooked and understudied, as we lack a comprehensive view on their condition-specific regulation and impact on differential expression analysis. Here, we show that isomiRs can have major effects on differential expression analysis results, as their expression is independent of their host miRNA genes or reference sequences. We present two miRNA-seq datasets from human umbilical vein endothelial cells, and assess isomiR expression in response to senescence and compartment-specificity (nuclear/cytosolic) under hypoxia. We compare three different methods for miRNA analysis, including isomiR-specific analysis, and show that ignoring isomiRs induces major biases in differential expression. Moreover, isomiR analysis permits higher resolution of complex signal dissection, such as the impact of hypoxia on compartment localization, and differential isomiR type enrichments between compartments. Finally, we show important distribution differences across conditions, independently of global miRNA expression signals. Our results raise concerns over the quasi exclusive use of miRNA reference sequences in miRNA-seq processing and experimental assays. We hope that our work will guide future isomiR expression studies, which will correct some biases introduced by golden standard analysis, improving the resolution of such assays and the biological significance of their downstream studies.

Abstract Metabolism plays a central role in evolution, as resource conservation is a selective pressure for fitness and survival. Resource-driven adaptations offer a good model to study evolutionary innovation more broadly. It remains unknown how resource-driven optimization of genome function integrates chromatin architecture with transcriptional phase transitions. Here we show that tuning of genome architecture and heterotypic transcriptional condensates mediate resilience to nutrient limitation. Network genomic integration of phenotypic, structural, and functional relationships reveals that fat tissue promotes organismal adaptations through metabolic acceleration chromatin domains and heterotypic PGC1A condensates. We find evolutionary adaptations in several dimensions; low conservation of amino acid residues within protein disorder regions, nonrandom chromatin location of metabolic acceleration domains, condensate-chromatin stability through cis-regulatory anchoring and encoding of genome plasticity in radial chromatin organization. We show that environmental tuning of these adaptations leads to fasting endurance, through efficient nuclear compartmentalization of lipid metabolic regions, and, locally, human-specific burst kinetics of lipid cycling genes. This process reduces oxidative stress, and fatty-acid mediated cellular acidification, enabling endurance of condensate chromatin conformations. Comparative genomics of genetic and diet perturbations reveal mammalian convergence of phenotype and structural relationships, along with loss of transcriptional control by diet-induced obesity. Further, we find that radial transcriptional organization is encoded in functional divergence of metabolic disease variant-hubs, heterotypic condensate composition, and protein residues sensing metabolic variation. During fuel restriction, these features license the formation of large heterotypic condensates that buffer proton excess, and shift viscoelasticity for condensate endurance. This mechanism maintains physiological pH, reduces pH-resilient inflammatory gene programs, and enables genome plasticity through transcriptionally driven cell-specific chromatin contacts. In vivo manipulation of this circuit promotes fasting-like adaptations with heterotypic nuclear compartments, metabolic and cell-specific homeostasis. In sum, we uncover here a general principle by which transcription uses environmental fluctuations for genome function, and demonstrate how resource conservation optimizes transcriptional self-organization through robust feedback integrators, highlighting obesity as an inhibitor of genome plasticity relevant for many diseases.