DNA methylation is a chemical modification of cytosine bases that is pivotal for gene regulation, cellular specification and cancer development. Here, we describe an R package, methylKit, that rapidly analyzes genome-wide cytosine epigenetic profiles from high-throughput methylation and hydroxymethylation sequencing experiments. methylKit includes functions for clustering, sample quality visualization, differential methylation analysis and annotation features, thus automating and simplifying many of the steps for discerning statistically significant bases or regions of DNA methylation. Finally, we demonstrate methylKit on breast cancer data, in which we find statistically significant regions of differential methylation and stratify tumor subtypes. methylKit is available at http://code.google.com/p/methylkit.

Combinatorial interactions among transcription factors are critical to directing tissue-specific gene expression. To build a global atlas of these combinations, we have screened for physical interactions among the majority of human and mouse DNA-binding transcription factors (TFs). The complete networks contain 762 human and 877 mouse interactions. Analysis of the networks reveals that highly connected TFs are broadly expressed across tissues, and that roughly half of the measured interactions are conserved between mouse and human. The data highlight the importance of TF combinations for determining cell fate, and they lead to the identification of a SMAD3/FLI1 complex expressed during development of immunity. The availability of large TF combinatorial networks in both human and mouse will provide many opportunities to study gene regulation, tissue differentiation, and mammalian evolution.

The FANTOM4 study identified transcriptional start sites active during proliferation arrest and differentiation of the human monocytic cell line THP-1. Systematic knockdown of 52 transcription factors provide support for their model in which a complex transcriptional network regulates the differentiation process. Using deep sequencing (deepCAGE), the FANTOM4 study measured the genome-wide dynamics of transcription-start-site usage in the human monocytic cell line THP-1 throughout a time course of growth arrest and differentiation. Modeling the expression dynamics in terms of predicted cis-regulatory sites, we identified the key transcription regulators, their time-dependent activities and target genes. Systematic siRNA knockdown of 52 transcription factors confirmed the roles of individual factors in the regulatory network. Our results indicate that cellular states are constrained by complex networks involving both positive and negative regulatory interactions among substantial numbers of transcription factors and that no single transcription factor is both necessary and sufficient to drive the differentiation process.

We report evidence for a mechanism for the maintenance of long-range conserved synteny across vertebrate genomes. We found the largest mammal-teleost conserved chromosomal segments to be spanned by highly conserved noncoding elements (HCNEs), their developmental regulatory target genes, and phylogenetically and functionally unrelated “bystander” genes. Bystander genes are not specifically under the control of the regulatory elements that drive the target genes and are expressed in patterns that are different from those of the target genes. Reporter insertions distal to zebrafish developmental regulatory genes pax6.1/2 , rx3 , id1 , and fgf8 and miRNA genes mirn9-1 and mirn9-5 recapitulate the expression patterns of these genes even if located inside or beyond bystander genes, suggesting that the regulatory domain of a developmental regulatory gene can extend into and beyond adjacent transcriptional units. We termed these chromosomal segments genomic regulatory blocks (GRBs). After whole genome duplication in teleosts, GRBs, including HCNEs and target genes, were often maintained in both copies, while bystander genes were typically lost from one GRB, strongly suggesting that evolutionary pressure acts to keep the single-copy GRBs of higher vertebrates intact. We show that loss of bystander genes and other mutational events suffered by duplicated GRBs in teleost genomes permits target gene identification and HCNE/target gene assignment. These findings explain the absence of evolutionary breakpoints from large vertebrate chromosomal segments and will aid in the recognition of position effect mutations within human GRBs.

Abstract Summary: Biological insights can be obtained through computational integration of genomics data sets consisting of diverse types of information. The integration is often hampered by a large variety of existing file formats, often containing similar information, and the necessity to use complicated tools to achieve the desired results. We have built an R package, genomation, to expedite the extraction of biological information from high throughput data. The package works with a variety of genomic interval file types and enables easy summarization and annotation of high throughput data sets with given genomic annotations. Availability and implementation: The software is currently distributed under MIT artistic license and freely available at http://bioinformatics.mdc-berlin.de/genomation, and through the Bioconductor framework. Contact: dirk.schubeler@fmi.ch, chm2042@med.cornell.edu, altuna.akalin@fmi.ch, or aakalin@gmail.com

We have developed an enhanced form of reduced representation bisulfite sequencing with extended genomic coverage, which resulted in greater capture of DNA methylation information of regions lying outside of traditional CpG islands. Applying this method to primary human bone marrow specimens from patients with Acute Myelogeneous Leukemia (AML), we demonstrated that genetically distinct AML subtypes display diametrically opposed DNA methylation patterns. As compared to normal controls, we observed widespread hypermethylation in IDH mutant AMLs, preferentially targeting promoter regions and CpG islands neighboring the transcription start sites of genes. In contrast, AMLs harboring translocations affecting the MLL gene displayed extensive loss of methylation of an almost mutually exclusive set of CpGs, which instead affected introns and distal intergenic CpG islands and shores. When analyzed in conjunction with gene expression profiles, it became apparent that these specific patterns of DNA methylation result in differing roles in gene expression regulation. However, despite this subtype-specific DNA methylation patterning, a much smaller set of CpG sites are consistently affected in both AML subtypes. Most CpG sites in this common core of aberrantly methylated CpGs were hypermethylated in both AML subtypes. Therefore, aberrant DNA methylation patterns in AML do not occur in a stereotypical manner but rather are highly specific and associated with specific driving genetic lesions.

Evolutionary change in gene expression is generally considered to be a major driver of phenotypic differences between species. We investigated innate immune diversification by analyzing interspecies differences in the transcriptional responses of primary human and mouse macrophages to the Toll-like receptor (TLR)–4 agonist lipopolysaccharide (LPS). By using a custom platform permitting cross-species interrogation coupled with deep sequencing of mRNA 5′ ends, we identified extensive divergence in LPS-regulated orthologous gene expression between humans and mice (24% of orthologues were identified as “divergently regulated”). We further demonstrate concordant regulation of human-specific LPS target genes in primary pig macrophages. Divergently regulated orthologues were enriched for genes encoding cellular “inputs” such as cell surface receptors (e.g., TLR6, IL-7Rα) and functional “outputs” such as inflammatory cytokines/chemokines (e.g., CCL20, CXCL13). Conversely, intracellular signaling components linking inputs to outputs were typically concordantly regulated. Functional consequences of divergent gene regulation were confirmed by showing LPS pretreatment boosts subsequent TLR6 responses in mouse but not human macrophages, in keeping with mouse-specific TLR6 induction. Divergently regulated genes were associated with a large dynamic range of gene expression, and specific promoter architectural features (TATA box enrichment, CpG island depletion). Surprisingly, regulatory divergence was also associated with enhanced interspecies promoter conservation. Thus, the genes controlled by complex, highly conserved promoters that facilitate dynamic regulation are also the most susceptible to evolutionary change.

Detailed knowledge of the molecular biology of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infection is crucial for understanding of viral replication, host responses, and disease progression. Here, we report gene expression profiles of three SARS-CoV- and SARS-CoV-2-infected human cell lines. SARS-CoV-2 elicited an approximately two-fold higher stimulation of the innate immune response compared to SARS-CoV in the human epithelial cell line Calu-3, including induction of miRNA-155. Single-cell RNA sequencing of infected cells showed that genes induced by virus infections were broadly upregulated, whereas interferon beta/lambda genes, a pro-inflammatory cytokines such as IL-6, were expressed only in small subsets of infected cells. Temporal analysis suggested that transcriptional activities of interferon regulatory factors precede those of nuclear factor κB. Lastly, we identified heat shock protein 90 (HSP90) as a protein relevant for the infection. Inhibition of the HSP90 activity resulted in a reduction of viral replication and pro-inflammatory cytokine expression in primary human airway epithelial cells.

Abstract High-occupancy target (HOT) regions are the segments of the genome with unusually high number of transcription factor binding sites. These regions are observed in multiple species and thought to have biological importance due to high transcription factor occupancy. Furthermore, they coincide with house-keeping gene promoters and the associated genes are stably expressed across multiple cell types. Despite these features, HOT regions are solemnly defined using ChIP-seq experiments and shown to lack canonical motifs for transcription factors that are thought to be bound there. Although, ChIP-seq experiments are the golden standard for finding genome-wide binding sites of a protein, they are not noise free. Here, we show that HOT regions are likely to be ChIP-seq artifacts and they are similar to previously proposed “hyper-ChIPable” regions. Using ChIP-seq data sets for knocked-out transcription factors, we demonstrate presence of false positive signals on HOT regions. We observe sequence characteristics and genomic features that are discriminatory of HOT regions, such as GC/CpG-rich k-mers and enrichment of RNA-DNA hybrids (R-loops) and DNA tertiary structures (G-quadruplex DNA). The artificial ChIP-seq enrichment on HOT regions could be associated to these discriminatory features. Furthermore, we propose strategies to deal with such artifacts for the future ChIP-seq studies.