Characterizing the multifaceted contribution of genetic and epigenetic factors to disease phenotypes is a major challenge in human genetics and medicine. We carried out high-resolution genetic, epigenetic, and transcriptomic profiling in three major human immune cell types (CD14+ monocytes, CD16+ neutrophils, and naive CD4+ T cells) from up to 197 individuals. We assess, quantitatively, the relative contribution of cis-genetic and epigenetic factors to transcription and evaluate their impact as potential sources of confounding in epigenome-wide association studies. Further, we characterize highly coordinated genetic effects on gene expression, methylation, and histone variation through quantitative trait locus (QTL) mapping and allele-specific (AS) analyses. Finally, we demonstrate colocalization of molecular trait QTLs at 345 unique immune disease loci. This expansive, high-resolution atlas of multi-omics changes yields insights into cell-type-specific correlation between diverse genomic inputs, more generalizable correlations between these inputs, and defines molecular events that may underpin complex disease risk.

José Martín-Subero and colleagues report the whole-genome bisulfite sequencing of ten blood cell subpopulations representing the cellular stages during B cell differentiation. They find that early stages are characterized by enhancer demethylation and that neoplasms derived from B cell lineages undergo methylation changes in regions with dynamic methylation during normal differentiation. We analyzed the DNA methylome of ten subpopulations spanning the entire B cell differentiation program by whole-genome bisulfite sequencing and high-density microarrays. We observed that non-CpG methylation disappeared upon B cell commitment, whereas CpG methylation changed extensively during B cell maturation, showing an accumulative pattern and affecting around 30% of all measured CpG sites. Early differentiation stages mainly displayed enhancer demethylation, which was associated with upregulation of key B cell transcription factors and affected multiple genes involved in B cell biology. Late differentiation stages, in contrast, showed extensive demethylation of heterochromatin and methylation gain at Polycomb-repressed areas, and genes with apparent functional impact in B cells were not affected. This signature, which has previously been linked to aging and cancer, was particularly widespread in mature cells with an extended lifespan. Comparing B cell neoplasms with their normal counterparts, we determined that they frequently acquire methylation changes in regions already undergoing dynamic methylation during normal B cell differentiation.

Abstract Background A healthy immune system requires immune cells that adapt rapidly to environmental challenges. This phenotypic plasticity can be mediated by transcriptional and epigenetic variability. Results We applied a novel analytical approach to measure and compare transcriptional and epigenetic variability genome-wide across CD14 + CD16 − monocytes, CD66b + CD16 + neutrophils, and CD4 + CD45RA + naïve T cells, from the same 125 healthy individuals. We discovered substantially increased variability in neutrophils compared to monocytes and T cells. In neutrophils, genes with hypervariable expression were found to be implicated in key immune pathways and to associate with cellular properties and environmental exposure. We also observed increased sex-specific gene expression differences in neutrophils. Neutrophil-specific DNA methylation hypervariable sites were enriched at dynamic chromatin regions and active enhancers. Conclusions Our data highlight the importance of transcriptional and epigenetic variability for the neutrophils’ key role as the first responders to inflammatory stimuli. We provide a resource to enable further functional studies into the plasticity of immune cells, which can be accessed from: http://blueprint-dev.bioinfo.cnio.es/WP10/hypervariability .

Abstract Background Restraining or slowing ageing hallmarks at the cellular level have been proposed as a route to increased organismal lifespan and healthspan. Consequently, there is great interest in anti-ageing drug discovery. However, this currently requires laborious and lengthy longevity analysis. Here, we present a novel screening readout for the expedited discovery of compounds that restrain ageing of cell populations in vitro and enable extension of in vivo lifespan. Methods Using Illumina methylation arrays, we monitored DNA methylation changes accompanying long-term passaging of adult primary human cells in culture. This enabled us to develop, test, and validate the CellPopAge Clock, an epigenetic clock with underlying algorithm, unique among existing epigenetic clocks for its design to detect anti-ageing compounds in vitro. Additionally, we measured markers of senescence and performed longevity experiments in vivo in Drosophila , to further validate our approach to discover novel anti-ageing compounds. Finally, we bench mark our epigenetic clock with other available epigenetic clocks to consolidate its usefulness and specialisation for primary cells in culture. Results We developed a novel epigenetic clock, the CellPopAge Clock, to accurately monitor the age of a population of adult human primary cells. We find that the CellPopAge Clock can detect decelerated passage-based ageing of human primary cells treated with rapamycin or trametinib, well-established longevity drugs. We then utilise the CellPopAge Clock as a screening tool for the identification of compounds which decelerate ageing of cell populations, uncovering novel anti-ageing drugs, torin2 and dactolisib (BEZ-235). We demonstrate that delayed epigenetic ageing in human primary cells treated with anti-ageing compounds is accompanied by a reduction in senescence and ageing biomarkers. Finally, we extend our screening platform in vivo by taking advantage of a specially formulated holidic medium for increased drug bioavailability in Drosophila . We show that the novel anti-ageing drugs, torin2 and dactolisib (BEZ-235), increase longevity in vivo. Conclusions Our method expands the scope of CpG methylation profiling to accurately and rapidly detecting anti-ageing potential of drugs using human cells in vitro, and in vivo, providing a novel accelerated discovery platform to test sought after anti-ageing compounds and geroprotectors.

Neutrophils play fundamental roles in innate inflammatory response, shape adaptive immunity, and have been identified as a potentially causal cell type underpinning genetic associations with immune system traits and diseases. The majority of these variants are non-coding and the underlying mechanisms are not fully understood. Here, we profiled the binding of one of the principal myeloid transcriptional regulators, PU.1, in primary neutrophils across nearly a hundred volunteers, and elucidate the coordinated genetic effects of PU.1 binding variation, local chromatin state, promoter-enhancer interactions and gene expression. We show that PU.1 binding and the associated chain of molecular changes underlie genetically-driven differences in cell count and autoimmune disease susceptibility. Our results advance interpretation for genetic loci associated with neutrophil biology and immune disease.

Molecular analyses such as whole-genome sequencing have become routine and are expected to be transformational for future healthcare and lifestyle decisions. Population-wide implementation of such analyses is, however, not without challenges, and multiple studies are ongoing to identify what these are and explore how they can be addressed. Defined as a research project, the Personal Genome Project UK (PGP-UK) is part of the global PGP network and focuses on open data sharing and citizen science to advance and accelerate personalized genomics and medicine. Here we report our findings on using an open consent recruitment protocol, active participant involvement, open access release of personal genome, methylome and transcriptome data and associated analyses, including 47 new variants predicted to affect gene function and innovative reports based on the analysis of genetic and epigenetic variants. For this pilot study, we recruited ten participants willing to actively engage as citizen scientists with the project. In addition, we introduce Genome Donation as a novel mechanism for openly sharing previously restricted data and discuss the first three donations received. Lastly, we present GenoME, a free, open-source educational app suitable for the lay public to allow exploration of personal genomes. Our findings demonstrate that citizen science-based approaches like PGP-UK have an important role to play in the public awareness, acceptance and implementation of genomics and personalized medicine.

Background: Chronic Lymphocytic Leukemia (CLL) presents two subtypes which have drastically different clinical outcomes. So far, these two subtypes are not associated to clear differences in gene expression profiles. Interestingly, recent results have highlighted important roles for heterogeneity, both at the genetic and at the epigenetic level in CLL progression. Results: We propose to use gene expression variability across patients to investigate differences between the two CLL subtypes. We find that the most aggressive type of this disease shows higher variability of gene expression across patients and we elaborate on this observation to produce a method that classifies patients into clinical subtypes. Finally, we find that, overall, genes that show higher variability in the aggressive subtype are related to cell cycle, development and inter-cellular communication, probably related to faster progression of this disease subtype. Conclusions: There are strong relations between disease subtype and gene expression variability linking significantly increased expression variability to phenotypes such as aggressiveness and resistance to therapy in CLL.

Background: Rheumatoid arthritis is a common autoimmune disorder influenced by both genetic and environmental factors. Epigenome-wide association studies can identify environmentally mediated epigenetic changes such as altered DNA methylation, which may also be influenced by genetic factors. To investigate possible contributions of DNA methylation to the aetiology of rheumatoid arthritis with minimum confounding genetic heterogeneity, we investigated genome-wide DNA methylation in disease discordant monozygotic twin pairs. Methods: Genome-wide DNA methylation was assessed in 79 monozygotic twin pairs discordant for rheumatoid arthritis using the HumanMethylation450 BeadChip array (Illumina). Discordant twins were tested for both differential DNA methylation and methylation variability between RA and healthy twins. The methylation variability signature was then compared with methylation variants from studies of other autoimmune diseases and with an independent healthy population. Results: We have identified a differentially variable DNA methylation signature, that suggests multiple stress response pathways may be involved in the aetiology of the disease. This methylation variability signature also highlighted potential epigenetic disruption of multiple RUNX3 transcription factor binding sites as being associated with disease development. Comparison with previously performed epigenome-wide association studies of rheumatoid arthritis and type 1 diabetes identified shared pathways for autoimmune disorders, suggesting that epigenetics plays a role in autoimmunity and offering the possibility of identifying new targets for intervention. Conclusions: Through genome-wide analysis of DNA methylation in disease discordant monozygotic twins, we have identified a differentially variable DNA methylation signature, in the absence of differential methylation in rheumatoid arthritis. This finding supports the importance of epigenetic variability as an emerging component in autoimmune disorders.

We aim to improve anti-ageing drug discovery, currently achieved through laborious and lengthy longevity analysis. Recent studies demonstrated that the most accurate molecular method to measure human age is based on CpG methylation profiles, as exemplified by several epigenetics clocks that can accurately predict an individual's age. Here, we developed CellAge, a new epigenetic clock that measures subtle ageing changes in primary human cells in vitro. As such, it provides a unique tool to measure the effects of relatively short pharmacological treatments on ageing. We validated our CellAge clock against known longevity drugs such as rapamycin and trametinib. Moreover, we uncovered novel anti-ageing drugs, torin2 and Dactolisib (BEZ-235), demonstrating the value of our approach as a screening and discovery platform for anti-ageing strategies. CellAge outperforms other epigenetic clocks in measuring subtle ageing changes in primary human cells in culture. The tested drug treatments reduced senescence and other ageing markers, further consolidating our approach as a screening platform. Finally, we showed that the novel anti-ageing drugs we uncovered in vitro, indeed increased longevity in vivo. Our method expands the scope of CpG methylation profiling from measuring human chronological and biological age from human samples in years, to accurately and rapidly detecting anti-ageing potential of drugs using human cells in vitro, providing a novel accelerated discovery platform to test sought after geroprotectors.