Abstract Allogeneic hematopoietic cell transplantation (HCT) provides effective treatment for hematologic malignancies and immune disorders. Monitoring of post-transplant complications is critical, yet current diagnostic options are limited. Here, we show that cell-free DNA (cfDNA) in blood is a highly versatile analyte for monitoring of the most important complications that occur after HCT: graft-versus-host disease (GVHD), a frequent immune complication of HCT; infection; relapse of underlying disease; and graft failure. We demonstrate that these different therapeutic complications can be informed from a single assay, low-coverage bisulfite sequencing of cfDNA, followed by disease-specific bioinformatic analyses. To inform GVHD, we profile cfDNA methylation marks to trace the cfDNA tissues-of-origin and to quantify tissue-specific injury. To inform on infections, we implement metagenomic cfDNA profiling. To inform cancer relapse, we implement analyses of tumor-specific genomic aberrations. Finally, to detect graft failure we quantify the proportion of donor and recipient specific cfDNA. We applied this assay to 170 plasma samples collected from 27 HCT recipients at predetermined time points before and after allogeneic HCT. We found that the abundance of solid-organ derived cfDNA in the blood at one-month after HCT is an early predictor of acute graft-versus-host disease (area under the curve, 0.88). Metagenomic profiling of cfDNA revealed the frequent occurrence of viral reactivation in this patient population. The fraction of donor specific cfDNA was indicative of cell chimerism, relapse and remission, and the fraction of tumor specific cfDNA was informative of cancer relapse. This proof-of-principle study shows that cfDNA has the potential to improve the care of allogeneic HCT recipients by enabling earlier detection and better prediction of the complex array of complications that occur after HCT.

ABSTRACT Cell-free DNA (cfDNA) in blood, urine and other biofluids provides a unique window into human health. A proportion of cfDNA is derived from bacteria and viruses, creating opportunities for the diagnosis of infection via metagenomic sequencing. The total biomass of microbial-derived cfDNA in clinical isolates is low, which makes metagenomic cfDNA sequencing susceptible to contamination and alignment noise. Here, we report Low Biomass Background Correction (LBBC), a bioinformatics noise filtering tool informed by the uniformity of the coverage of microbial genomes and the batch variation in the absolute abundance of microbial cfDNA. We demonstrate that LBBC leads to a dramatic reduction in false positive rate while minimally affecting the true positive rate for a cfDNA test to screen for urinary tract infection. We next performed high throughput sequencing of cfDNA in amniotic fluid collected from term uncomplicated pregnancies or those complicated with clinical chorioamnionitis with and without intra-amniotic infection. The data provide unique insight into the properties of fetal and maternal cfDNA in amniotic fluid, demonstrate the utility of cfDNA to screen for intra-amniotic infection, support the view that the amniotic fluid is sterile during normal pregnancy, and reveal cases of intra-amniotic inflammation without infection at term.

Circulating cell-free DNA (cfDNA) is emerging as a powerful monitoring tool in cancer, pregnancy and organ transplantation. Nucleosomal DNA, the predominant form of cfDNA in blood, can be readily adapted for sequencing via ligation of double-stranded DNA (dsDNA) adapters. dsDNA library preparation, however, is insensitive to ultrashort, degraded and single-stranded cfDNA. Drawing inspiration from recent technical advances in ancient genome analyses, we have applied a single-stranded DNA (ssDNA) library preparation method to sequencing of cfDNA in the plasma of lung transplant recipients (40 samples, six patients). We found that the ssDNA library preparation yields a greater portion of sub-100 bp DNA, as well as an increased relative abundance of human mitochondrial cfDNA (10.7x) and microbial cfDNA (71.3x). We report the fragmentation pattern of mitochondrial, nuclear genomic and microbial cfDNA over a broad fragment length range. We furthermore report the first observation of donor-specific mitochondrial cfDNA in the circulation of lung transplant recipients. We found that donor-specific mitochondrial cfDNA molecules are significantly shorter than those specific to the recipient. The higher yield of viral, microbial and fungal sequences that result from the single-stranded ligation approach reduces the cost and increase the sensitivity of cfDNA-based monitoring for infectious complications after transplantation. An ssDNA library preparation method provides a more informative window into understudied forms of cfDNA, including mitochondrial and microbial derived cfDNA and short fragment nuclear genomic cfDNA, while retaining information provided by standard dsDNA library preparation methods.

Abstract Infections of the urinary tract are the most common form of infection in the human population. Here, we tested the utility of urinary cell-free DNA (cfDNA) to comprehensively monitor host and pathogen dynamics in the scope of bacterial and viral urinary tract infections. We assayed cfDNA isolated from 141 urine samples obtained from a cohort of 82 kidney transplant recipients by next-generation sequencing. We find that urinary cfDNA simultaneously informs about the composition of the bacterial and viral components of the microbiome, antimicrobial susceptibility, bacterial growth dynamics, kidney allograft injury, and the host response to infection. These different layers of information are accessible from a single assay and individually agree with corresponding clinical tests based on quantitative PCR, conventional bacterial culture, and urinalysis. In addition, cfDNA reveals the frequent occurrence of pathologies that remain undiagnosed in conventional diagnostic workups. Our work identifies urinary cfDNA as a highly versatile tool to monitor infections of the urinary tract.

Abstract The health impact of prolonged space flight on the human body is not well understood. Liquid biopsies based on cell-free DNA (cfDNA) or exosome analysis provide a noninvasive approach to monitor the dynamics of genomic, epigenomic and proteomic biomarkers, and the occurrence of DNA damage, physiological stress, and immune responses. To study the molecular consequences of spaceflight we profiled cfDNA isolated from plasma of an astronaut (TW) during a year-long mission on the International Space Station (ISS), sampling before, during, and after spaceflight, and compared the results to cfDNA profiling of the subject’s identical twin (HR) who remained on Earth, as well as healthy donors. We characterized cfDNA concentration and fragment size, and the positioning of nucleosomes on cfDNA, observing a significant increase in the proportion of cell-free mitochondrial DNA inflight, suggesting that cf-mtDNA is a potential biomarker for space flight-associated stress, and that this result was robust to ambient transit from the International Space Station (ISS). Analysis of exosomes isolated from post-flight plasma revealed a 30-fold increase in circulating exosomes and distinct exosomal protein cargo, including brain-derived peptides, in TW compared to HR and all known controls. This study provides the first longitudinal analysis of astronaut cfDNA during spaceflight, as well as the first exosome profiles, and highlights cf-mtDNA levels as a potential biomarker for physiological stress or immune system responses related to microgravity, radiation exposure, and other unique environmental conditions on the ISS.

High-throughput single-cell RNA sequencing technology has provided important insights into cellular complexity and transcriptome dynamics. However, current implementations of this technology are limited to capturing information from the ends of A-tailed messenger RNA (mRNA) transcripts. Here, we describe a versatile technology, Droplet Assisted RNA Targeting by single cell sequencing (DART-seq), that surmounts this limitation allowing investigation of all regions of the polyadenylated transcriptome, as well as measurement of other classes of RNA in the cell. We applied DART-seq to simultaneously measure transcripts of the segmented dsRNA genome of a reovirus strain, and the transcriptome of the infected cell. In a second application, we used DART-seq to simultaneously measure natively paired, variable region heavy and light chain (VH:VL) amplicons and the transcriptome of human B lymphocyte cells.

High-throughput metagenomic sequencing offers an unbiased approach to identify pathogens in clinical samples. Conventional metagenomic sequencing however does not integrate information about the host, which is often critical to distinguish infection from infectious disease, and to assess the severity of disease. Here, we explore the utility of high-throughput sequencing of cell-free DNA after bisulfite conversion to map the tissue and cell types of origin of host-derived cell-free DNA, and to profile the bacterial and viral metagenome. We applied this assay to 51 urinary cfDNA isolates collected from a cohort of kidney transplant recipients with and without bacterial and viral infection of the urinary tract. We find that the cell and tissue types of origin of urinary cell-free DNA can be derived from its genome-wide profile of methylation marks, and strongly depend on infection status. We find evidence of kidney and bladder tissue damage due to viral and bacterial infection, respectively, and of the recruitment of neutrophils to the urinary tract during infection. Through direct comparison to conventional metagenomic sequencing as well as clinical tests of infection, we find this assay accurately captures the bacterial and viral composition of the sample. The assay presented here is straightforward to implement, offers a systems view into bacterial and viral infections of the urinary tract, and can find future use as a tool for the differential diagnosis of infections.