Liquid biopsies are revolutionizing the fields of prenatal non-invasive testing and cancer diagnosis by leveraging the genetic differences between mother and fetus, and, host and cancer. In the absence of genetic variance, epigenetics has been used to decipher the cell-of-origin of cell-free DNA (cfDNA). Liquid biopsies are minimally invasive and thus represent an attractive option for hard to biopsy tissues such as the brain. Here we report the first evidence of neuron derived cfDNA and cerebellum cfDNA within acute neurotrauma and chronic neurodegeneration, establishing the first class of peripheral biomarkers with specificity for the cell-type and brain-region undergoing potential injury and/or neurodegeneration.

Abstract Despite their importance in tissue homeostasis and renewal, human pituitary stem cells (PSCs) are incompletely characterized. We describe a human single nucleus (sn) RNAseq and ATACseq resource from pediatric, adult, and aged pituitaries (snpituitaryatlas.princeton.edu) and characterize cell type-specific gene expression and chromatin accessibility programs for all major pituitary cell lineages. We identify uncommitted PSCs, committing progenitor cells, and sex differences. Pseudotime trajectory analysis indicates that early life PSCs are distinct from the other age groups. Linear modeling of same-cell multiome data identifies regulatory domain accessibility sites and transcription factors (TFs) that are significantly associated with gene expression in PSCs compared to other cell types and within PSCs. Modeling the heterogeneous expression of two markers for committing cell lineages among PSCs shows significant correlation with regulatory domain accessibility for GATA3 , but with TF expression for POMC . These findings characterize human stem cell lineages and reveal diverse mechanisms regulating key PSC genes.

Abstract The pituitary regulates growth, reproduction and other endocrine systems. To investigate transcriptional network epigenetic mechanisms, we generated paired single nucleus (sn) transcriptome and chromatin accessibility profiles in single mouse pituitaries and genome-wide sn methylation datasets. Our analysis provided insight into cell type epigenetics, regulatory circuit and gene control mechanisms. Latent variable pathway analysis detected corresponding transcriptome and chromatin accessibility programs showing both inter-sexual and inter-individual variation. Multi-omics analysis of gene regulatory networks identified cell type-specific regulons whose composition and function were shaped by the promoter accessibility state of target genes. Co-accessibility analysis comprehensively identified putative cis-regulatory regions, including a domain 17kb upstream of Fshb that overlapped the fertility-linked rs11031006 human polymorphism. In vitro CRISPR-deletion at this locus increased Fshb levels, supporting this domain’s inferred regulatory role. The sn pituitary multi-omics atlas (snpituitaryatlas.princeton.edu) is a public resource for elucidating cell type-specific gene regulatory mechanisms and principles of transcription circuit control.

Injuries from exposure to explosions rose dramatically during the Iraq and Afghanistan wars, which motivated investigations of blast-related neurotrauma and operational breaching. In this study, military 'breachers' were exposed to controlled, low-level blast during a 10-day explosive breaching course. Using an omics approach, we assessed epigenetic, transcriptional, and inflammatory profile changes in blood from operational breaching trainees, with varying levels of lifetime blast exposure, along with daily self-reported symptoms (with tinnitus, headaches, and sleep disturbances as the most frequently reported). Although acute exposure to blast did not confer epigenetic changes, specifically in DNA methylation, differentially methylated regions (DMRs) with coordinated gene expression changes associated with chronic lifetime cumulative blast exposures were identified. The accumulative effect of blast showed increased methylation of PAX8 antisense transcript with coordinated repression of gene expression, which has been associated with sleep disturbance. DNA methylation analyses conducted in conjunction with reported symptoms of tinnitus in the low vs. high blast incidents groups identified DMRS in KCNE1 and CYP2E1 genes. KCNE1 and CYP2E1 showed the expected inverse correlation between DNA methylation and gene expression, which have been previously implicated in noise related hearing loss. Although no significant transcriptional changes were observed in samples obtained at the onset of the training course relative to chronic cumulative blast, we identified a large number of transcriptional perturbations acutely pre- versus post-blast exposure. Acutely, 67 robustly differentially expressed genes (fold change ≥1.5), including UFC1 and YOD1, ubiquitin-related proteins were identified. Inflammatory analyses of cytokines and chemokines revealed dysregulation of MCP-1, GCSF, HGF, MCSF, and RANTES acutely following blast exposure. These data show the importance of an omics approach, revealing that transcriptional and inflammatory biomarkers capture acute low-level blast overpressure exposure, whereas DNA methylation marks encapsulate chronic long-term symptoms.

Endurance exercise is an important health modifier. We studied cell-type specific adaptations of human skeletal muscle to acute endurance exercise using single-nucleus (sn) multiome sequencing in human vastus lateralis samples collected before and 3.5 hours after 40 min exercise at 70% VO2max in four subjects, as well as in matched time of day samples from two supine resting circadian controls. High quality same-cell RNA-seq and ATAC-seq data were obtained from 37,154 nuclei comprising 14 cell types. Among muscle fiber types, both shared and fiber-type specific regulatory programs were identified. Single-cell circuit analysis identified distinct adaptations in fast, slow and intermediate fibers as well as LUM-expressing FAP cells, involving a total of 328 transcription factors (TFs) acting at altered accessibility sites regulating 2,025 genes. These data and circuit mapping provide single-cell insight into the processes underlying tissue and metabolic remodeling responses to exercise.