The three-dimensional organization of the human and mouse genomes in embryonic stem cells and terminally differentiated cell types is investigated, revealing that large, megabase-sized chromatin interaction domains are a pervasive and conserved structural feature of genome organization. The spatial organization of the genome is linked to biological function, and advances in genomic technologies are allowing the conformation of chromosomes to be assessed genome wide. Two groups present complementary papers on the subject. Bing Ren and colleagues use Hi-C, an adaption of the chromosome conformation capture (3C) technique, to investigate the three-dimensional organization of the human and mouse genomes in embryonic stem cells and terminally differentiated cell types. Large, megabase-sized chromatin interaction domains, termed topological domains, are found to be a pervasive and conserved feature of genome organization. Edith Heard and colleagues use chromosome conformation capture carbon-copy (5C) technology and high-resolution microscopy to obtain a high-resolution map of the chromosomal interactions over a large region of the mouse X chromosome, including the X-inactivation centre. A series of discrete topologically associating domains is revealed, as is a previously unknown long intergenic RNA with a potential regulatory role. The spatial organization of the genome is intimately linked to its biological function, yet our understanding of higher order genomic structure is coarse, fragmented and incomplete. In the nucleus of eukaryotic cells, interphase chromosomes occupy distinct chromosome territories, and numerous models have been proposed for how chromosomes fold within chromosome territories1. These models, however, provide only few mechanistic details about the relationship between higher order chromatin structure and genome function. Recent advances in genomic technologies have led to rapid advances in the study of three-dimensional genome organization. In particular, Hi-C has been introduced as a method for identifying higher order chromatin interactions genome wide2. Here we investigate the three-dimensional organization of the human and mouse genomes in embryonic stem cells and terminally differentiated cell types at unprecedented resolution. We identify large, megabase-sized local chromatin interaction domains, which we term ‘topological domains’, as a pervasive structural feature of the genome organization. These domains correlate with regions of the genome that constrain the spread of heterochromatin. The domains are stable across different cell types and highly conserved across species, indicating that topological domains are an inherent property of mammalian genomes. Finally, we find that the boundaries of topological domains are enriched for the insulator binding protein CTCF, housekeeping genes, transfer RNAs and short interspersed element (SINE) retrotransposons, indicating that these factors may have a role in establishing the topological domain structure of the genome.

The reference human genome sequence set the stage for studies of genetic variation and its association with human disease, but epigenomic studies lack a similar reference. To address this need, the NIH Roadmap Epigenomics Consortium generated the largest collection so far of human epigenomes for primary cells and tissues. Here we describe the integrative analysis of 111 reference human epigenomes generated as part of the programme, profiled for histone modification patterns, DNA accessibility, DNA methylation and RNA expression. We establish global maps of regulatory elements, define regulatory modules of coordinated activity, and their likely activators and repressors. We show that disease- and trait-associated genetic variants are enriched in tissue-specific epigenomic marks, revealing biologically relevant cell types for diverse human traits, and providing a resource for interpreting the molecular basis of human disease. Our results demonstrate the central role of epigenomic information for understanding gene regulation, cellular differentiation and human disease.

DNA cytosine methylation is a central epigenetic modification that has essential roles in cellular processes including genome regulation, development and disease. Here we present the first genome-wide, single-base-resolution maps of methylated cytosines in a mammalian genome, from both human embryonic stem cells and fetal fibroblasts, along with comparative analysis of messenger RNA and small RNA components of the transcriptome, several histone modifications, and sites of DNA-protein interaction for several key regulatory factors. Widespread differences were identified in the composition and patterning of cytosine methylation between the two genomes. Nearly one-quarter of all methylation identified in embryonic stem cells was in a non-CG context, suggesting that embryonic stem cells may use different methylation mechanisms to affect gene regulation. Methylation in non-CG contexts showed enrichment in gene bodies and depletion in protein binding sites and enhancers. Non-CG methylation disappeared upon induced differentiation of the embryonic stem cells, and was restored in induced pluripotent stem cells. We identified hundreds of differentially methylated regions proximal to genes involved in pluripotency and differentiation, and widespread reduced methylation levels in fibroblasts associated with lower transcriptional activity. These reference epigenomes provide a foundation for future studies exploring this key epigenetic modification in human disease and development.

The mRNAs of higher eukaryotes are extensively modified internally with N6-methyladenosine, but the specific functional role of this modification has been unclear; here this modification on mRNA is shown to be recognized by several proteins, the modification and its recognition serve to regulate the RNA’s lifetime. The messenger RNAs of higher eukaryotes are extensively modified with N6-methyladenosine, but the functional role of this modification has been unclear. Chuan He and colleagues now show that in human cells, these modified bases are recognized by a family of proteins, YTHDF2, not only in mRNAs, but also in a variety of non-coding RNAs. Once bound, these proteins mediate degradation of the RNA by targeting it to cellular RNA decay sites. In this way, the modification serves as a regulator of the RNA's lifetime. N6-methyladenosine (m6A) is the most prevalent internal (non-cap) modification present in the messenger RNA of all higher eukaryotes1,2. Although essential to cell viability and development3,4,5, the exact role of m6A modification remains to be determined. The recent discovery of two m6A demethylases in mammalian cells highlighted the importance of m6A in basic biological functions and disease6,7,8. Here we show that m6A is selectively recognized by the human YTH domain family 2 (YTHDF2) ‘reader’ protein to regulate mRNA degradation. We identified over 3,000 cellular RNA targets of YTHDF2, most of which are mRNAs, but which also include non-coding RNAs, with a conserved core motif of G(m6A)C. We further establish the role of YTHDF2 in RNA metabolism, showing that binding of YTHDF2 results in the localization of bound mRNA from the translatable pool to mRNA decay sites, such as processing bodies9. The carboxy-terminal domain of YTHDF2 selectively binds to m6A-containing mRNA, whereas the amino-terminal domain is responsible for the localization of the YTHDF2–mRNA complex to cellular RNA decay sites. Our results indicate that the dynamic m6A modification is recognized by selectively binding proteins to affect the translation status and lifetime of mRNA.

We have determined how most of the transcriptional regulators encoded in the eukaryote Saccharomyces cerevisiae associate with genes across the genome in living cells. Just as maps of metabolic networks describe the potential pathways that may be used by a cell to accomplish metabolic processes, this network of regulator-gene interactions describes potential pathways yeast cells can use to regulate global gene expression programs. We use this information to identify network motifs, the simplest units of network architecture, and demonstrate that an automated process can use motifs to assemble a transcriptional regulatory network structure. Our results reveal that eukaryotic cellular functions are highly connected through networks of transcriptional regulators that regulate other transcriptional regulators.

The human body is composed of diverse cell types with distinct functions. Although it is known that lineage specification depends on cell-specific gene expression, which in turn is driven by promoters, enhancers, insulators and other cis-regulatory DNA sequences for each gene, the relative roles of these regulatory elements in this process are not clear. We have previously developed a chromatin-immunoprecipitation-based microarray method (ChIP-chip) to locate promoters, enhancers and insulators in the human genome. Here we use the same approach to identify these elements in multiple cell types and investigate their roles in cell-type-specific gene expression. We observed that the chromatin state at promoters and CTCF-binding at insulators is largely invariant across diverse cell types. In contrast, enhancers are marked with highly cell-type-specific histone modification patterns, strongly correlate to cell-type-specific gene expression programs on a global scale, and are functionally active in a cell-type-specific manner. Our results define over 55,000 potential transcriptional enhancers in the human genome, significantly expanding the current catalogue of human enhancers and highlighting the role of these elements in cell-type-specific gene expression.

The NIH Roadmap Epigenomics Mapping Consortium aims to produce a public resource of epigenomic maps for stem cells and primary ex vivo tissues selected to represent the normal counterparts of tissues and organ systems frequently involved in human disease.

Understanding how DNA binding proteins control global gene expression and chromosomal maintenance requires knowledge of the chromosomal locations at which these proteins function in vivo. We developed a microarray method that reveals the genome-wide location of DNA-bound proteins and used this method to monitor binding of gene-specific transcription activators in yeast. A combination of location and expression profiles was used to identify genes whose expression is directly controlled by Gal4 and Ste12 as cells respond to changes in carbon source and mating pheromone, respectively. The results identify pathways that are coordinately regulated by each of the two activators and reveal previously unknown functions for Gal4 and Ste12. Genome-wide location analysis will facilitate investigation of gene regulatory networks, gene function, and genome maintenance.

The Warburg effect, which originally described increased production of lactate in cancer, is associated with diverse cellular processes such as angiogenesis, hypoxia, polarization of macrophages and activation of T cells. This phenomenon is intimately linked to several diseases including neoplasia, sepsis and autoimmune diseases1,2. Lactate, which is converted from pyruvate in tumour cells, is widely known as an energy source and metabolic by-product. However, its non-metabolic functions in physiology and disease remain unknown. Here we show that lactate-derived lactylation of histone lysine residues serves as an epigenetic modification that directly stimulates gene transcription from chromatin. We identify 28 lactylation sites on core histones in human and mouse cells. Hypoxia and bacterial challenges induce the production of lactate by glycolysis, and this acts as a precursor that stimulates histone lactylation. Using M1 macrophages that have been exposed to bacteria as a model system, we show that histone lactylation has different temporal dynamics from acetylation. In the late phase of M1 macrophage polarization, increased histone lactylation induces homeostatic genes that are involved in wound healing, including Arg1. Collectively, our results suggest that an endogenous 'lactate clock' in bacterially challenged M1 macrophages turns on gene expression to promote homeostasis. Histone lactylation thus represents an opportunity to improve our understanding of the functions of lactate and its role in diverse pathophysiological conditions, including infection and cancer.