ABSTRACT Circulating cell-free DNA (cfDNA) fragments are a biological analyte with extensive utility in diagnostic medicine. Understanding the source of cfDNA and mechanisms of release is crucial for designing and interpreting cfDNA-based liquid biopsy assays. Using cell type-specific methylation markers as well as genome-wide methylation analysis, we determined that megakaryocytes, the precursors of anuclear platelets, are major contributors to cfDNA (∼26%), while erythroblasts contribute 1-4% of cfDNA in healthy individuals. Surprisingly, we discovered that platelets contain genomic DNA fragments originating in megakaryocytes, contrary to the general understanding that platelets lack genomic DNA. Megakaryocyte-derived cfDNA is increased in pathologies involving increased platelet production (Essential Thrombocythemia, Idiopathic Thrombocytopenic Purpura) and decreased upon reduced platelet production due to chemotherapy-induced bone marrow suppression. Similarly, erythroblast cfDNA is reflective of erythrocyte production and is elevated in patients with Thalassemia. Megakaryocyte- and erythroblast-specific DNA methylation patterns can thus serve as novel biomarkers for pathologies involving increased or decreased thrombopoiesis and erythropoiesis, which can aid in determining the etiology of aberrant levels of erythrocytes and platelets. GRAPHICAL ABSTRACT

Abstract The full spectrum of tissues affected by SARS-CoV-2 infection is crucial for deciphering the heterogenous clinical course of COVID-19. Here, we analyzed DNA methylation and histone modification patterns in circulating chromatin to assess cell type-specific turnover in severe and asymptomatic COVID-19 patients, in relation to clinical outcome. Patients with severe COVID-19 had a massive elevation of circulating cell-free DNA (cfDNA) levels, which originated in lung epithelial cells, cardiomyocytes, vascular endothelial cells and erythroblasts, suggesting increased cell death or turnover in these tissues. The immune response to infection was reflected by elevated B cell and monocyte/macrophage cfDNA levels, and by evidence of an interferon response in cells prior to cfDNA release. Strikingly, monocyte/macrophage cfDNA levels (but not monocyte counts), as well as lung epithelium cfDNA and vascular endothelial cfDNA, predicted clinical deterioration and duration of hospitalization. Asymptomatic patients had elevated levels of immune-derived cfDNA but did not show evidence of pulmonary or cardiac damage. Surprisingly, these patients showed elevated levels of vascular endothelial cell and erythroblast cfDNA, suggesting that sub-clinical vascular and erythrocyte turnover are universal features of COVID-19, independent of disease severity. Epigenetic liquid biopsies provide non-invasive means of monitoring COVID-19 patients, and reveal sub-clinical vascular damage and red blood cell turnover.