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.

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.

Cellular redox status affects diverse cellular functions, including proliferation, protein homeostasis, and aging. Thus, individual differences in redox status can give rise to distinct sub-populations even among cells with identical genetic backgrounds. Here, we have created a novel methodology to track redox status at single cell resolution using in-vivo redox-sensitive sensor. Our method allows identification and sorting of sub-populations with different oxidation levels in either the cytosol, mitochondria or peroxisomes. Using this approach we defined redox-dependent heterogeneity of yeast cells, and characterized growth, division as well as proteomic and transcriptomic profiles of subpopulations of cells that differ in their redox status, but are similar in age. A comparative analysis between these populations identified three key proteins, Hsp30, Dhh1, and Pnc1, which affect basal oxidation levels and may serve as first line of defense proteins in redox homeostasis.