Abstract Small cell lung cancer (SCLC) is an aggressive malignancy with exceptionally poor prognosis and limited therapeutic advances in the past few decades. Although SCLCs are treated as a single disease entity in clinic, emerging data support subtypes of SCLC driven by expression of distinct transcription regulators, which engender unique therapeutic vulnerabilities. However, the translational potential of these observations is limited by access to tumor biopsies. Here, we apply chromatin immunoprecipitation of cell-free nucleosomes carrying active chromatin modifications followed by sequencing (cfChIP-seq) to 286 plasma samples from patients with advanced SCLC, non-SCLC cancers, and healthy adults. In addition to providing reliable estimates of SCLC circulating free DNA (cfDNA) tumor fraction, cfChIP-seq recovers the unique epigenetic states of SCLC tissue and cells of origin, and importantly tumor gene expression. Comparison of cfChIP-seq signals to matched tumor transcriptomes shows genome-wide concordance presenting a direct link between gene expression in the tumor and plasma cell-free nucleosomes. We devise a classifier that discriminates between SCLC lineage-defining transcription factor subtypes based on cfChIP-seq assay. This work sets the stage to non-invasively profile SCLC transcriptomes using plasma cfDNA histone modifications.

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.

Blood cell-free DNA (cfDNA) is derived from fragmented chromatin in dying cells. As such, it remains associated with histones that may retain the covalent modifications present in the cell of origin. Until now this rich epigenetic information carried by cell-free nucleosomes has not been explored at the genome level. Here, we perform ChIP-seq of cell free nucleosomes (cfChIP-seq) directly from human blood plasma to sequence DNA fragments from nucleosomes carrying specific chromatin marks. We assay a cohort of healthy subjects and patients and use cfChIP-seq to generate rich sequencing libraries from low volumes of blood. We find that cfChIP-seq of chromatin marks associated with active transcription recapitulates ChIP-seq profiles of the same marks in the tissue of origin, and reflects gene activity in these cells of origin. We demonstrate that cfChIP-seq detects changes in expression programs in patients with heart and liver injury or cancer. cfChIP-seq opens a new window into normal and pathologic tissue dynamics with far-reaching implications for biology and medicine.