Abstract Radiation therapy is an effective cancer treatment although damage to healthy tissues is common. Here we characterize the methylomes of healthy human and mouse tissues to establish sequencing-based, cell-type specific reference DNA methylation atlases. Identified cell-type specific DNA blocks were mostly hypomethylated and located within genes intrinsic to cellular identity. Cell-free DNA fragments released from dying cells into the circulation were captured from serum samples by hybridization to CpG-rich DNA panels. The origins of the circulating DNA fragments were inferred from mapping to the established DNA methylation atlases. Thoracic radiation-induced tissue damages in a mouse model were reflected by dose-dependent increases in lung endothelial, cardiomyocyte and hepatocyte methylated DNA in serum. The analysis of serum samples from breast cancer patients undergoing radiation treatment revealed distinct tissue-specific epithelial and endothelial responses to radiation across multiple organs. Strikingly, patients treated for right-sided breast cancers also showed increased hepatocyte and liver endothelial DNA in the circulation indicating the impact on liver tissues. Thus, changes in cell-free methylated DNA can uncover cell-type specific effects of radiation and provide a quantitative measure of the biologically effective radiation dose received by healthy tissues. Graphical Abstract

Purpose. The cardiovascular biology of proton radiotherapy is not well understood. We aimed to compare the genomic dose-response to proton and gamma radiation of the mouse aorta to assess whether their vascular effects may diverge. Materials and methods. We performed comparative RNA sequencing of the aorta following (4 hrs) total-body proton and gamma irradiation (0.5 – 200 cGy whole body dose, 10 dose levels) of conscious mice. A trend analysis identified genes that showed a dose response. Results. While fewer genes were dose-responsive to proton than gamma radiation (29 vs. 194 genes; q-value ≤ 0.1), the magnitude of the effect was greater. Highly responsive genes were enriched for radiation response pathways (DNA damage, apoptosis, cellular stress and inflammation; p-value ≤ 0.01). Gamma, but not proton radiation induced additionally genes in vasculature specific pathways. Genes responsive to both radiation types showed almost perfectly superimposable dose-response relationships. Conclusions. Despite the activation of canonical radiation response pathways by both radiation types, we detected marked differences in the genomic response of the murine aorta. Models of cardiovascular risk based on photon radiation may not accurately predict the risk associated with proton radiation.

Abstract Post-transplant complications reduce allograft and recipient survival. Current approaches for detecting allograft injury non-invasively are limited and do not differentiate between cellular mechanisms. Here, we monitor cellular damages after liver transplants from cell-free DNA (cfDNA) fragments released from dying cells into the circulation. We analyzed 130 blood samples collected from 44 patients at different time points after transplant. Sequence-based methylation of cfDNA fragments were mapped to patterns established to identify cell types in different organs. For liver cell types DNA methylation patterns and multi-omic data integration show distinct enrichment in open chromatin and regulatory regions functionally important for the respective cell types. We find that multi-tissue cellular damages post-transplant recover in patients without allograft injury during the first post-operative week. However, sustained elevation of hepatocyte and biliary epithelial cfDNA beyond the first week indicates early-onset allograft injury. Further, cfDNA composition differentiates amongst causes of allograft injury indicating the potential for non-invasive monitoring and timely intervention.