Summary

 DNA damage repair (DDR) pathways modulate cancer risk, progression, and therapeutic response. We systematically analyzed somatic alterations to provide a comprehensive view of DDR deficiency across 33 cancer types. Mutations with accompanying loss of heterozygosity were observed in over 1/3 of DDR genes, including TP53 and BRCA1/2. Other prevalent alterations included epigenetic silencing of the direct repair genes EXO5, MGMT, and ALKBH3 in ∼20% of samples. Homologous recombination deficiency (HRD) was present at varying frequency in many cancer types, most notably ovarian cancer. However, in contrast to ovarian cancer, HRD was associated with worse outcomes in several other cancers. Protein structure-based analyses allowed us to predict functional consequences of rare, recurrent DDR mutations. A new machine-learning-based classifier developed from gene expression data allowed us to identify alterations that phenocopy deleterious TP53 mutations. These frequent DDR gene alterations in many human cancers have functional consequences that may determine cancer progression and guide therapy.

Aneuploidy, whole chromosome or chromosome arm imbalance, is a near-universal characteristic of human cancers. In 10,522 cancer genomes from The Cancer Genome Atlas, aneuploidy was correlated with TP53 mutation, somatic mutation rate, and expression of proliferation genes. Aneuploidy was anti-correlated with expression of immune signaling genes, due to decreased leukocyte infiltrates in high-aneuploidy samples. Chromosome arm-level alterations show cancer-specific patterns, including loss of chromosome arm 3p in squamous cancers. We applied genome engineering to delete 3p in lung cells, causing decreased proliferation rescued in part by chromosome 3 duplication. This study defines genomic and phenotypic correlates of cancer aneuploidy and provides an experimental approach to study chromosome arm aneuploidy.

Macronutrient intake, the proportion of calories consumed from carbohydrate, fat, and protein, is an important risk factor for metabolic diseases with significant familial aggregation. Previous studies have identified two genetic loci for macronutrient intake, but incomplete coverage of genetic variation and modest sample sizes have hindered the discovery of additional loci. Here, we expanded the genetic landscape of macronutrient intake, identifying 12 suggestively significant loci (P < 1 × 10−6) associated with intake of any macronutrient in 91,114 European ancestry participants. Four loci replicated and reached genome-wide significance in a combined meta-analysis including 123,659 European descent participants, unraveling two novel loci; a common variant in RARB locus for carbohydrate intake and a rare variant in DRAM1 locus for protein intake, and corroborating earlier FGF21 and FTO findings. In additional analysis of 144,770 participants from the UK Biobank, all identified associations from the two-stage analysis were confirmed except for DRAM1. Identified loci might have implications in brain and adipose tissue biology and have clinical impact in obesity-related phenotypes. Our findings provide new insight into biological functions related to macronutrient intake.

Low-dose human interleukin-2 (hIL-2) treatment is used clinically to treat autoimmune disorders due to the cytokine's preferential expansion of immunosuppressive regulatory T cells (Tregs). However, off-target immune cell activation and short serum half-life limit the clinical potential of IL-2 treatment. Recent work showed that complexes comprising hIL-2 and the anti-hIL-2 antibody F5111 overcome these limitations by preferentially stimulating Tregs over immune effector cells. Although promising, therapeutic translation of this approach is complicated by the need to optimize dosing ratios and by the instability of the cytokine/antibody complex. We leverage structural insights to engineer a single-chain hIL-2/F5111 antibody fusion protein, termed F5111 immunocytokine (IC), which potently and selectively activates and expands Tregs. F5111 IC confers protection in mouse models of colitis and checkpoint inhibitor-induced diabetes mellitus. These results provide a roadmap for IC design and establish a Treg-biased immunotherapy that could be clinically translated for autoimmune disease treatment.

ABSTRACT Age is the dominant risk factor for most chronic human diseases; yet the mechanisms by which aging confers this risk are largely unknown. 1 Recently, the age-related acquisition of somatic mutations in regenerating hematopoietic stem cell populations was associated with both hematologic cancer incidence 2–4 and coronary heart disease prevalence. 5 Somatic mutations with leukemogenic potential may confer selective cellular advantages leading to clonal expansion, a phenomenon termed ‘Clonal Hematopoiesis of Indeterminate Potential’ (CHIP). 6 Simultaneous germline and somatic whole genome sequence analysis now provides the opportunity to identify root causes of CHIP. Here, we analyze high-coverage whole genome sequences from 97,691 participants of diverse ancestries in the NHLBI TOPMed program and identify 4,229 individuals with CHIP. We identify associations with blood cell, lipid, and inflammatory traits specific to different CHIP genes. Association of a genome-wide set of germline genetic variants identified three genetic loci associated with CHIP status, including one locus at TET2 that was African ancestry specific. In silico -informed in vitro evaluation of the TET2 germline locus identified a causal variant that disrupts a TET2 distal enhancer. Aggregates of rare germline loss-of-function variants in CHEK2 , a DNA damage repair gene, predisposed to CHIP acquisition. Overall, we observe that germline genetic variation altering hematopoietic stem cell function and the fidelity of DNA-damage repair increase the likelihood of somatic mutations leading to CHIP.

Abstract Educational inequalities in all-cause mortality have been observed for decades. However, the underlying biological mechanisms are not well known. We aimed to assess the role of DNA methylation changes in blood captured by epigenetic clocks in explaining these inequalities. Data were from 8 prospective population-based cohort studies, representing 13 021 participants. First, educational inequalities and their portion explained by Horvath DNAmAge, Hannum DNAmAge, DNAmPhenoAge, and DNAmGrimAge epigenetic clocks were assessed in each cohort via counterfactual-based mediation models, on both absolute (hazard difference) and relative (hazard ratio) scales, and by sex. Second, estimates from each cohort were pooled through a random effect meta-analysis model. Men with low education had excess mortality from all causes of 57 deaths per 10 000 person-years (95% confidence interval [CI]: 38, 76) compared with their more advantaged counterparts. For women, the excess mortality was 4 deaths per 10 000 person-years (95% CI: −11, 19). On the relative scale, educational inequalities corresponded to hazard ratios of 1.33 (95% CI: 1.12, 1.57) for men and 1.15 (95% CI: 0.96, 1.37) for women. DNAmGrimAge accounted for the largest proportion, approximately 50%, of the educational inequalities for men, while the proportion was negligible for women. Most of this mediation was explained by differential effects of unhealthy lifestyles and morbidities of the World Health Organization (WHO) risk factors for premature mortality. These results support DNA methylation-based epigenetic aging as a signature of educational inequalities in life expectancy emphasizing the need for policies to address the unequal social distribution of these WHO risk factors.

Vaccines are a key biomedical intervention to prevent the spread of infectious diseases, but their efficacy can be limited by insufficient immunogenicity and nonuniform reactogenic profiles. Adjuvants are molecules that potentiate vaccine responses by inducing innate immune activation. However, there are a limited number of adjuvants in approved vaccines, and current approaches for preclinical adjuvant discovery and development are inefficient. To enhance adjuvant identification, we developed a protocol based on in vitro screening of human primary leukocytes.We describe a methodology utilizing high-throughput and high-content screening for novel adjuvant candidates that was used to screen a library of ~2,500 small molecules via a 384-well quantitative combined cytokine and flow cytometry immunoassay in primary human peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) from 4 healthy adult study participants. Hits were identified based on their induction of soluble cytokine (TNF, IFNg and IL-10) secretion and PBMC maturation (CD 80/86, Ox40, and HLA-DR) in at least two of the four donors screened. From an initial set of 197 compounds identified using these biomarkers-an 8.6% hit rate-we downselected to five scaffolds that demonstrated robust efficacy and potency in vitro and evaluated the top hit, vinblastine sulfate, for adjuvanticity in vivo. Vinblastine sulfate significantly enhanced murine humoral responses to recombinant SARS-CoV-2 spike protein, including a four-fold enhancement of IgG titer production when compared to treatment with the spike antigen alone. Overall, we outline a methodology for discovering immunomodulators with adjuvant potential via high-throughput screening of PBMCs in vitro that yielded a lead compound with in vivo adjuvanticity.

Abstract Plasma lipids are heritable modifiable causal factors for coronary artery disease, the leading cause of death globally. Despite the well-described monogenic and polygenic bases of dyslipidemia, limitations remain in discovery of lipid-associated alleles using whole genome sequencing, partly due to limited sample sizes, ancestral diversity, and interpretation of potential clinical significance. Increasingly larger whole genome sequence datasets with plasma lipids coupled with methodologic advances enable us to more fully catalog the allelic spectrum for lipids. Here, among 66,329 ancestrally diverse (56% non-European ancestry) participants, we associate 428M variants from deep-coverage whole genome sequences with plasma lipids. Approximately 400M of these variants were not studied in prior lipids genetic analyses. We find multiple lipid-related genes strongly associated with plasma lipids through analysis of common and rare coding variants. We additionally discover several significantly associated rare non-coding variants largely at Mendelian lipid genes. Notably, we detect rare LDLR intronic variants associated with markedly increased LDL-C, similar to rare LDLR exonic variants. In conclusion, we conducted a systematic whole genome scan for plasma lipids expanding the alleles linked to lipids for multiple ancestries and characterize a clinically-relevant rare non-coding variant model for lipids.

ABSTRACT Lineage tracing using genetically engineered mouse models is an essential tool for investigating cell-fate decisions of progenitor cells and biology of mature cell types, with relevance to physiology and disease progression. To study disease development, an inventory of an organ’s cell types and understanding of physiologic function is paramount. Here, we performed single-cell RNA sequencing to examine heterogeneity of murine pancreatic duct cells, pancreatobiliary cells, and intrapancreatic bile duct cells. We describe an epithelial-mesenchymal transitory axis in our three pancreatic duct subpopulations and identify SPP1 as a regulator of this fate decision as well as human duct cell de-differentiation. Our results further identify functional heterogeneity within pancreatic duct subpopulations by elucidating a role for Geminin in accumulation of DNA damage in the setting of chronic pancreatitis. Our findings implicate diverse functional roles for subpopulations of pancreatic duct cells in maintenance of duct cell identity and disease progression and establish a comprehensive road map of murine pancreatic duct cell, pancreatobiliary cell, and intrapancreatic bile duct cell homeostasis. SIGNIFICANCE Murine models are extensively used for pancreatic lineage tracing experiments and investigation of pancreatic disease progression. Here, we describe the transcriptome of murine pancreatic duct cells, intrapancreatic bile duct cells, and pancreatobiliary cells at single cell resolution. Our analysis defines novel heterogeneity within the pancreatic ductal tree and supports the paradigm that more than one population of pancreatic duct cells harbors progenitor capacity. We identify and validate unique functional properties of subpopulations of pancreatic duct cells including an epithelial-mesenchymal transcriptomic axis and roles in chronic pancreatic inflammation.

We investigated the effects of apolipoprotein E (APOE) ε4 and its interactions with sociodemographic characteristics on cognitive measures in South Asians from the Diagnostic Assessment of Dementia for the Longitudinal Aging Study of India (LASI-DAD).