1. Abstract Forensic genetic genealogy (FGG) has primarily relied upon dense single nucleotide polymorphism (SNP) profiles from forensic samples or unidentified human remains queried against online genealogy database(s) of known profiles generated with SNP microarrays or from whole genome sequencing (WGS). In these queries, SNPs are compared to database samples by locating contiguous stretches of shared SNP alleles that allow for detection of genomic segments that are identical by descent (IBD) among biological relatives (kinship). This segment-based approach, while robust for detecting distant relationships, generally requires DNA quantity and/or quality that are sometimes not available in forensic casework samples. By focusing on SNPs with maximal discriminatory power and using an algorithm designed for a sparser SNP set than those from microarray typing, performance similar to segment matching was reached even in difficult casework samples. This algorithm locates shared segments using kinship coefficients in “windows” across the genome. The windowed kinship algorithm is a modification of the PC-AiR and PC-Relate tools for genetic relatedness inference, referred to here as the “whole genome kinship” approach, that control for the presence of unknown or unspecified population substructure. Simulated and empirical data in this study, using DNA profiles comprised of 10,230 SNPs (10K multiplex) targeted by the ForenSeq™ Kintelligence Kit demonstrate that the windowed kinship approach performs comparably to segment matching for identifying first, second and third degree relationships, reasonably well for fourth degree relationships, and with fewer false kinship associations. Selection criteria for the 10K SNP PCR-based multiplex and functionality of the windowed kinship algorithm are described.

Artificial tendons may be an effective alternative to autologous and allogenic tendon grafts for repairing critically sized tendon defects. The goal of this study was to quantify the in vivo hindlimb biomechanics (ground contact pressure and sagittal-plane motion) during hopping gait of rabbits having a critically sized tendon defect of the tibialis cranialis and either with or without repair using an artificial tendon. In five rabbits, the tibialis cranialis tendon of the left hindlimb was surgically replaced with a polyester, silicone-coated artificial tendon (PET-SI); five operated control rabbits underwent complete surgical excision of the biological tibialis cranialis tendon in the left hindlimb with no replacement (TE). At 8 weeks post-surgery, peak vertical ground contact force in the left hindlimb was statistically significantly less compared to baseline for the TE group (p=0.0215). Statistical parametric mapping (SPM) analysis showed that, compared to baseline, the knee was significantly more extended during stance at 2 weeks post-surgery and during the swing phase of stride at 2 and 8 weeks post-surgery for the TE group (p<0.05). Also, the ankle was significantly more plantarflexed during swing at 2 and 8 weeks postoperative for the TE group (p<0.05). In contrast, there were no significant differences in the SPM analysis among timepoints in the PET-SI group for the knee or ankle. These findings suggest that the artificial tibialis cranialis tendon effectively replaced the biomechanical function of the native tendon.

Pain is a subjective experience derived from complex interactions among biological, environmental, and psychosocial pathways. Sex differences in pain sensitivity and chronic pain prevalence are well established. However, the molecular causes underlying these sex dimorphisms are poorly understood particularly with regard to the role of the peripheral nervous system. Here we sought to identify shared and distinct gene networks functioning in the peripheral nervous systems that may contribute to sex differences of pain after nerve injury. We performed RNA-seq on dorsal root ganglia following chronic constriction injury of the sciatic nerve in male and female rats. Analysis from paired naive and injured tissues showed that 1456 genes were differentially expressed between sexes. Appreciating sex-related gene expression differences and similarities in neuropathic pain models may help to improve the translational relevance to clinical populations and efficacy of clinical trials of this major health issue.

Abstract Chronic pain is a significant public health issue that is often refractory to existing therapies. Here we use a multiomic approach to identify cis-regulatory elements that show differential chromatin accessibility, and reveal transcription factor (TF) binding motifs with functional regulation in the dorsal root ganglion (DRG), which contain cell bodies of primary sensory neurons, after nerve injury. We integrated RNA-seq to understand how differential chromatin accessibility after nerve injury may influence gene expression. Using TF protein arrays and chromatin immunoprecipitation-qPCR, we confirmed C/EBPγ binding to a differentially accessible sequence and used RNA-seq to identify processes in which C/EBPγ plays an important role. Our findings offer insights into TF motifs that are associated with chronic pain. These data show how interactions between chromatin landscapes and TF expression patterns may work together to determine gene expression programs in DRG neurons after nerve injury.

ABSTRACT BACKGROUND DNA methylation dynamics in the brain are associated with normal development and neuropsychiatric disease and differ across functionally distinct brain regions. Previous studies of genome-wide methylation differences among human brain regions focused on limited numbers of individuals and one to two brain regions. RESULTS Using GTEx samples, we have generated a resource of DNA methylation in purified neuronal nuclei from 8 brain regions as well as lung and thyroid tissues from 12-23 donors. We identified differentially methylated regions between brain regions (DMRs) among neuronal nuclei in both CpG (181,146) and non-CpG (264,868) contexts, few of which were unique to a single pair-wise comparison. This significantly expands the knowledge of differential methylation across the brain by 10-fold. In addition, we present the first differential methylation analysis among neuronal nuclei from basal ganglia tissues and identified 2,295 unique CpG DMRs, many associated with ion transport. Consistent with prior studies, CpG DMRs were enriched in regulatory regions while non-CpG DMRs were enriched in intergenic regions. We also identified 81,130 regions of variably CpG methylated regions (VMRs), i.e. variable methylation among individuals in the same brain region, which were enriched in regulatory regions and in CpG DMRs. Many VMRs were unique to a specific brain region, with only 202 common across all brain regions, as well as lung and thyroid. VMRs identified in the amygdala, anterior cingulate cortex, and hippocampus were enriched for heritability of schizophrenia. CONCLUSIONS These data suggest that epigenetic variation in these particular human brain regions could be associated with the risk for this neuropsychiatric disorder.

Abstract Efforts to understand genetic variability involved in an individual’s susceptibility to chronic pain support a role for upstream regulation by epigenetic mechanisms. To examine the transcriptomic and epigenetic basis of chronic pain that resides in the peripheral nervous system, we used RNA-seq and ATAC-seq of the rat dorsal root ganglion (DRG) to identify novel molecular pathways associated with pain hypersensitivity in two well-studied persistent pain models induced by Chronic Constriction Injury (CCI) of the sciatic nerve and intra-plantar injection of Complete Freund’s Adjuvant (CFA) in rats. Our RNA-seq studies identify a variety of biological process related to synapse organization, membrane potential, transmembrane transport, and ion binding. Interestingly, genes that encode transcriptional regulators were disproportionately downregulated in both models. Our ATAC-seq data provide a comprehensive map of chromatin accessibility changes in the DRG. A total of 1123 regions showed changes in chromatin accessibility in one or both models when compared to the naïve and 31 shared differentially accessible regions (DAR)s. Functional annotation of the DARs identified disparate molecular functions enriched for each pain model which suggests that chromatin structure may be altered differently following sciatic nerve injury and hind paw inflammation. Motif analysis identified 17 DNA sequences known to bind transcription factors in the CCI DARs and 33 in the CFA DARs. Two motifs were significantly enriched in both models. Our improved understanding of the changes in chromatin accessibility that occur in chronic pain states may identify regulatory genomic elements that play essential roles in modulating gene expression in the DRG. Summary Shared transcriptomic and epigenetic changes in two animal models improves our understanding of how chromatin structural changes alter DRG gene expression under persistent pain conditions.

Background Taxanes such as paclitaxel (PTX) induce dose-dependent chemotherapy-induced peripheral neuropathy (CIPN), which is associated with debilitating chronic pain and gait impairment. Increased macrophage-related proinflammatory activities have been reported to mediate the development and maintenance of neuropathic pain. While spinal cord stimulation (SCS) has been used for a number of pain conditions, the mechanisms supporting its use for CIPN remain to be elucidated. Thus, we aimed to examine whether SCS can attenuate Schwann cell-mediated and macrophage-mediated neuroinflammation in the sciatic nerve of Rowlette Nude (RNU) rats with PTX-induced gait impairment and mechanical hypersensitivity. Methods Adult male tumor-bearing RNU rats were used for this study examining PTX treatment and SCS. Gait and mechanical hypersensitivity were assessed weekly. Cytokines, gene expression, macrophage infiltration and polarization, nerve morphology and Schwann cells were examined in sciatic nerves using multiplex immunoassay, bulk RNA sequencing, histochemistry and immunohistochemistry techniques. Results SCS (50 Hz, 0.2 milliseconds, 80% motor threshold) attenuated the development of mechanical hypersensitivity (20.93±0.80 vs 12.23±2.71 grams, p<0.0096) and temporal gait impairment [swing (90.41±7.03 vs 117.27±9.71%, p<0.0076), and single stance times (94.92±3.62 vs 112.75±7.27%, p<0.0245)] induced by PTX (SCS+PTX+Tumor vs Sham SCS+PTX+Tumor). SCS also attenuated the reduction in Schwann cells, myelin thickness and increased the concentration of anti-inflammatory cytokine interleukin (IL)−10. Bulk RNA sequencing revealed differential gene expression after SCS, with 607 (59.2%) genes upregulated while 418 (40.8%) genes were downregulated. Notably, genes related to anti-inflammatory cytokines and neuronal growth were upregulated, while genes related to proinflammatory-promoting genes, increased M2γ polarization and decreased macrophage infiltration and Schwann cell loss were downregulated. Conclusion SCS may attenuate PTX-induced pain and temporal gait impairment, which may be partly attributed to decreases in Schwann cell loss and macrophage-mediated neuroinflammation in sciatic nerves.