Summary Key mechanisms underlying chronic pain occur within the neural circuitry of the dorsal horn. Recent genome-wide association studies (GWAS) have identified genetic variants associated with the predisposition to chronic pain. However, most of these variants lie in regulatory non-coding regions that have so far not been linked to spinal cord function. Here, we take a multi-species approach to determine whether chronic pain variants impact regulatory elements of dorsal horn neurons. We first built a more comprehensive single cell atlas; filling gaps by generating a high-quality Rhesus macaque atlas and integrating it with human and mouse. With cellular-resolution spatial transcriptomics, we mapped the laminar distributions of the resulting species-conserved neuron subtypes, uncovering an unexpected organization. Lastly, we generated a mouse single-nucleus open chromatin atlas to partition the heritability of chronic pain traits. From this, we identified strong, selective associations between specific, conserved neuron subtypes and major forms of chronic pain.

The host receptor for SARS-CoV-2, angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2), is highly expressed in small intestine. Our aim was to study colonic ACE2 expression in Crohn's disease (CD) and non-inflammatory bowel disease (non-IBD) controls. We hypothesized that the colonic expression levels of ACE2 impacts CD course.We examined the expression of colon ACE2 using RNA-seq and quantitative (q) RT-PCR from 69 adult CD and 14 NIBD control patients. In a subset of this cohort we validated ACE2 protein expression and localization in formalin-fixed, paraffin-embedded matched colon and ileal tissues using immunohistochemistry. The impact of increased ACE2 expression in CD for the risk of surgery was evaluated by a multivariate regression analysis and a Kaplan-Meier estimator. To provide critical support for the generality of our findings, we analyzed previously published RNA-seq data from two large independent cohorts of CD patients.Colonic ACE2 expression was significantly higher in a subset of adult CD patients (ACE2-high CD). IHC in a sampling of ACE2-high CD patients confirmed high ACE2 protein expression in the colon and ileum compared to ACE2-low CD and NIBD patients. Notably, we found that ACE2-high CD patients are significantly more likely to undergo surgery within 5 years of diagnosis, with a Cox regression analysis finding that high ACE2 levels is an independent risk factor (OR 2.18; 95%CI, 1.05-4.55; p=0.037).Increased intestinal expression of ACE2 is associated with deteriorated clinical outcomes in CD patients. These data point to the need for molecular stratification that may impact CD disease-related outcomes.

Abstract The intestinal epithelial barrier is comprised of a monolayer of specialized intestinal epithelial cells (IECs) that are critical in maintaining gut mucosal homeostasis. Dysfunction within various IEC fractions can increase intestinal permeability, resulting in a chronic and debilitating condition known as Crohn’s disease (CD). Defining the molecular changes in each IEC type in CD will contribute to an improved understanding of the pathogenic processes and the identification of potential therapeutic targets. Here we performed, for the first time at single-cell resolution, a direct comparison of the colonic epithelial cellular and molecular landscape between treatment-naïve adult CD and non-IBD control patients. Our analysis revealed that in CD patients there is a significant skew in the colonic epithelial cellular distribution away from canonical LGR5 + stem cells, located at the crypt-bottom, and toward one specific subtype of mature colonocytes, located at the crypt-top. Further analysis revealed unique changes to gene expression programs in every major cell type, including a previously undescribed suppression in CD of most enteroendocrine driver genes as well as L-cell markers including GCG . We also dissect a previously poorly understood SPIB + cell cluster, revealing at least four sub-clusters that exhibit unique features. One of these SPIB + sub-clusters expresses crypt-top colonocyte markers and is significantly up-regulated in CD, whereas another sub-cluster strongly expresses and stains positive for lysozyme (albeit no other canonical Paneth cell marker), which surprisingly is greatly reduced in expression in CD. Finally, through integration with data from genome-wide association studies, we show that genes implicated in CD risk exhibit heretofore unknown cell-type specific patterns of aberrant expression in CD, providing unprecedented insight into the potential biological functions of these genes.

Abstract Introduction In colitis, macrophage functionality is altered compared to homeostatic conditions. Loss of IL-10 signaling results in an inappropriate and chronic inflammatory response to bacterial stimulation. It remains unknown if inhibition of bromodomain and extra-terminal domain (BET) proteins alters usage of DNA regulatory elements responsible for driving inflammatory gene expression. We determined if the BET inhibitor, (+)-JQ1, could suppress inflammatory activation of macrophages in Il10 -/- mice. Methods We performed ATAC-seq and RNA-seq on Il10 -/- bone marrow-derived macrophages (BMDMs) cultured in the presence or absence of lipopolysaccharide (LPS) and with or without treatment with (+)-JQ1 and evaluated changes in chromatin accessibility and gene expression. Germ-free Il10 -/- mice were treated with (+)-JQ1, colonized with fecal slurries and underwent histological and molecular evaluation 14-days post colonization. Results Treatment with (+)-JQ1 suppressed LPS-induced changes in chromatin at distal regulatory elements associated with inflammatory genes, particularly in regions that contain motifs for AP-1 and IRF transcription factors. This resulted in the attenuation of inflammatory gene expression. Treatment with (+)-JQ1 in vivo reduced severity of colitis as compared with vehicle-treated mice. Conclusion We identified the mechanism of action associated with a new class of compounds that may mitigate aberrant macrophage responses to bacteria in colitis. Funding This work was funded in part through Helmsley Charitable Trust (SHARE Project 2), NIDDK P01DK094779, NIDDK 1R01DK104828, NIDDK P30-DK034987, NIDDK 1R01DK124617, NIH Ruth L. Kirschstein National Research Service Award Individual Predoctoral Fellowship (1F31DK122704), NIH T32 Genetics NIGMS Training Grant (T32-GM007092-43), NIH T32 Translational Medicine Training Grant (T32-GM122741), NIH T32 Gastroenterology Research Training Grant (T32-DK007737), and Crohn’s and Colitis Foundation Student Research Fellowship Award, and Gnotobiotic Animal Facility.