Abstract The uterine lining (endometrium) exhibits a pro-inflammatory phenotype in women with endometriosis, resulting in pain, infertility, and poor pregnancy outcomes. The full complement of cell types contributing to this phenotype has yet to be identified, as most studies have focused on bulk tissue or select cell populations. Herein, through integrating whole-tissue deconvolution and single cell RNAseq, we comprehensively characterized immune and nonimmune cell types in endometrium of women with or without disease and their dynamic changes across the menstrual cycle. We designed metrics to evaluate specificity of deconvolution signatures that resulted in single cell identification of 13 novel signatures for immune cell subtypes in healthy endometrium. Guided by statistical metrics, we identified contributions of endometrial epithelial, endothelial, plasmacytoid dendritic cells, classical dendritic cells, monocytes, macrophages, and granulocytes to the endometrial pro-inflammatory phenotype, underscoring roles for nonimmune as well as immune cells to the dysfunctionality of this tissue. Teaser Sentence Cell type deconvolution and single cell RNAseq analysis identify altered endometrial cellular compositions in women with endometriosis

Abstract Background Endometriosis is a chronic, estrogen-dependent disorder where inflammation contributes to disease-associated symptoms of pelvic pain and infertility. Immune dysfunction includes insufficient immune lesion clearance, a pro-inflammatory endometrial environment, and systemic inflammation. Comprehensive understanding of endometriosis immune pathophysiology in different hormonal milieu and disease severity has been hampered by limited direct characterization of immune populations in endometrium, blood, and lesions. Simultaneous deep phenotyping at single cell resolution of complex tissues has transformed our understanding of the immune system and its role in many diseases. Herein, we report mass cytometry and high dimensional analyses to study immune cell phenotypes, abundance, activation states, and functions in endometrium and blood of women with and without endometriosis in different cycle phases and disease stages. Methods A case-control study was designed. Endometrial biopsies and blood (n=60 total) were obtained from women with (n=20, n=17, respectively) and without (n=14, n=9) endometriosis in the proliferative and secretory cycle phases of the menstrual cycle. Two mass cytometry panels were designed; one broad panel and one specific for mononuclear phagocytic cells (MPC), and all samples were multiplexed to characterize both endometrium and blood immune composition at unprecedented resolution. We combined supervised and unsupervised analyses to finely define the immune cell subsets with an emphasis on MPC. Then, association between cell types, protein expression, disease status, and cycle phase were performed. Results The broad panel highlighted a significant modification of MPC in endometriosis; thus, they were studied in detail with an MPC-focused panel. Endometrial CD91 + macrophages overexpressed SIRPα (phagocytosis inhibitor) and CD64 (associated with inflammation) in endometriosis, and they were more abundant in mild versus severe disease. In blood, classical and intermediate monocytes were less abundant in endometriosis, whereas plasmacytoid dendritic cells and non-classical monocytes were more abundant. Non-classical monocytes were higher in severe versus mild disease. Conclusions A greater inflammatory phenotype and decreased phagocytic capacity of endometrial macrophages in endometriosis are consistent with defective clearance of endometrial cells shed during menses and in tissue homeostasis, with implications in endometriosis pathogenesis and pathophysiology. Different proportions of monocytes and plasmacytoid dendritic cells in blood from endometriosis suggest systemically aberrant functionality of the myeloid system opening new venues for the study of biomarkers and therapies for endometriosis.

Abstract Endometriosis is a leading cause of pain and infertility affecting millions of women globally. Identifying biologic and genetic effects on DNA methylation (DNAm) in endometrium increases understanding of mechanisms that influence gene regulation predisposing to endometriosis and offers an opportunity for novel therapeutic target discovery. Herein, we characterize variation in endometrial DNAm and its association with menstrual cycle phase, endometriosis, and genetic variants through analysis of genome-wide genotype data and methylation at 759,345 DNAm sites in endometrial samples from 984 deeply-phenotyped participants. We identify significant differences in DNAm profiles between menstrual cycle phases and at four DNAm sites between stage III/IV endometriosis and controls. We estimate that 15.4% of the variation in endometriosis is captured by DNAm, and identify DNAm networks associated with endometriosis. DNAm quantitative trait locus (mQTL) analysis identified 118,185 independent cis -mQTL including some tissue-specific effects. We find significant differences in DNAm profiles between endometriosis sub- phenotypes and a significant association between genetic regulation of methylation in endometrium and disease risk, providing functional evidence for genomic targets contributing to endometriosis risk and pathogenesis.