The laboratory mouse shares the majority of its protein-coding genes with humans, making it the premier model organism in biomedical research, yet the two mammals differ in significant ways. To gain greater insights into both shared and species-specific transcriptional and cellular regulatory programs in the mouse, the Mouse ENCODE Consortium has mapped transcription, DNase I hypersensitivity, transcription factor binding, chromatin modifications and replication domains throughout the mouse genome in diverse cell and tissue types. By comparing with the human genome, we not only confirm substantial conservation in the newly annotated potential functional sequences, but also find a large degree of divergence of sequences involved in transcriptional regulation, chromatin state and higher order chromatin organization. Our results illuminate the wide range of evolutionary forces acting on genes and their regulatory regions, and provide a general resource for research into mammalian biology and mechanisms of human diseases.

Human cells have twenty-three pairs of chromosomes. In cancer, however, genes can be amplified in chromosomes or in circular extrachromosomal DNA (ecDNA), although the frequency and functional importance of ecDNA are not understood. We performed whole-genome sequencing, structural modelling and cytogenetic analyses of 17 different cancer types, including analysis of the structure and function of chromosomes during metaphase of 2,572 dividing cells, and developed a software package called ECdetect to conduct unbiased, integrated ecDNA detection and analysis. Here we show that ecDNA was found in nearly half of human cancers; its frequency varied by tumour type, but it was almost never found in normal cells. Driver oncogenes were amplified most commonly in ecDNA, thereby increasing transcript level. Mathematical modelling predicted that ecDNA amplification would increase oncogene copy number and intratumoural heterogeneity more effectively than chromosomal amplification. We validated these predictions by quantitative analyses of cancer samples. The results presented here suggest that ecDNA contributes to accelerated evolution in cancer.

Abstract Single cell transcriptomics has transformed the characterization of brain cell identity by providing quantitative molecular signatures for large, unbiased samples of brain cell populations. With the proliferation of taxonomies based on individual datasets, a major challenge is to integrate and validate results toward defining biologically meaningful cell types. We used a battery of single-cell transcriptome and epigenome measurements generated by the BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN) to comprehensively assess the molecular signatures of cell types in the mouse primary motor cortex (MOp). We further developed computational and statistical methods to integrate these multimodal data and quantitatively validate the reproducibility of the cell types. The reference atlas, based on more than 600,000 high quality single-cell or -nucleus samples assayed by six molecular modalities, is a comprehensive molecular account of the diverse neuronal and non-neuronal cell types in MOp. Collectively, our study indicates that the mouse primary motor cortex contains over 55 neuronal cell types that are highly replicable across analysis methods, sequencing technologies, and modalities. We find many concordant multimodal markers for each cell type, as well as thousands of genes and gene regulatory elements with discrepant transcriptomic and epigenomic signatures. These data highlight the complex molecular regulation of brain cell types and will directly enable design of reagents to target specific MOp cell types for functional analysis.

ABSTRACT We report the generation of a multimodal cell census and atlas of the mammalian primary motor cortex (MOp or M1) as the initial product of the BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN). This was achieved by coordinated large-scale analyses of single-cell transcriptomes, chromatin accessibility, DNA methylomes, spatially resolved single-cell transcriptomes, morphological and electrophysiological properties, and cellular resolution input-output mapping, integrated through cross-modal computational analysis. Together, our results advance the collective knowledge and understanding of brain cell type organization: First, our study reveals a unified molecular genetic landscape of cortical cell types that congruently integrates their transcriptome, open chromatin and DNA methylation maps. Second, cross-species analysis achieves a unified taxonomy of transcriptomic types and their hierarchical organization that are conserved from mouse to marmoset and human. Third, cross-modal analysis provides compelling evidence for the epigenomic, transcriptomic, and gene regulatory basis of neuronal phenotypes such as their physiological and anatomical properties, demonstrating the biological validity and genomic underpinning of neuron types and subtypes. Fourth, in situ single-cell transcriptomics provides a spatially-resolved cell type atlas of the motor cortex. Fifth, integrated transcriptomic, epigenomic and anatomical analyses reveal the correspondence between neural circuits and transcriptomic cell types. We further present an extensive genetic toolset for targeting and fate mapping glutamatergic projection neuron types toward linking their developmental trajectory to their circuit function. Together, our results establish a unified and mechanistic framework of neuronal cell type organization that integrates multi-layered molecular genetic and spatial information with multi-faceted phenotypic properties.

Abstract Insulators play a critical role in spatiotemporal gene expression in metazoans by separating active and repressive chromatin domains and preventing inappropriate enhancer-promoter contacts. The evolutionarily conserved CCCTC-binding factor (CTCF) is required for insulator function in mammals, but not all of its binding sites act as insulators. Here, we explore the sequence requirements of CTCF-mediated transcriptional insulation with the use of a sensitive insulator reporter assay in mouse embryonic stem cells. We find that insulation potency depends on the number of CTCF binding sites in tandem. Furthermore, CTCF-mediated insulation is dependent on DNA sequences flanking its core binding motifs, and CTCF binding sites at topologically associating domain(TAD) boundaries are more likely to function as insulators than those outside TAD boundaries, independent of binding strength. Using chromosomal conformation capture assays and high-resolution chromatin imaging techniques, we demonstrate that insulators form local chromatin domain boundaries and reduce enhancer-promoter contacts. Taken together, our results provide strong genetic, molecular, and structural evidence connecting chromatin topology to the action of insulators in the mammalian genome.

Summary Mammalian brain cells are remarkably diverse in gene expression, anatomy, and function, yet the regulatory DNA landscape underlying this extensive heterogeneity is poorly understood. We carried out a comprehensive assessment of the epigenomes of mouse brain cell types by applying single nucleus DNA methylation sequencing to profile 110,294 nuclei from 45 regions of the mouse cortex, hippocampus, striatum, pallidum, and olfactory areas. We identified 161 cell clusters with distinct spatial locations and projection targets. We constructed taxonomies of these epigenetic types, annotated with signature genes, regulatory elements, and transcription factors. These features indicate the potential regulatory landscape supporting the assignment of putative cell types, and reveal repetitive usage of regulators in excitatory and inhibitory cells for determining subtypes. The DNA methylation landscape of excitatory neurons in the cortex and hippocampus varied continuously along spatial gradients. Using this deep dataset, an artificial neural network model was constructed that precisely predicts single neuron cell-type identity and brain area spatial location. Integration of high-resolution DNA methylomes with single-nucleus chromatin accessibility data allowed prediction of high-confidence enhancer-gene interactions for all identified cell types, which were subsequently validated by cell-type-specific chromatin conformation capture experiments. By combining multi-omic datasets (DNA methylation, chromatin contacts, and open chromatin) from single nuclei and annotating the regulatory genome of hundreds of cell types in the mouse brain, our DNA methylation atlas establishes the epigenetic basis for neuronal diversity and spatial organization throughout the mouse brain.

Abstract Topologically associating domains (TAD) and insulated neighborhoods (INs) have been proposed to constrain enhancer-promoter communications to enable cell-type specific transcription programs, but recent studies show that disruption of TADs and INs resulted in relatively mild changes in gene expression profiles. To better understand the role of chromatin architecture in dynamic enhancer-promoter contacts and lineage-specific gene expression, we have utilized the auxin-inducible degron system to acutely deplete CTCF, a key factor involved in TADs and IN formation, in mouse embryonic stem cells (mESCs) and examined chromatin architecture and gene regulation during neural differentiation. We find that while CTCF depletion leads to global weakening of TAD boundaries and loss of INs, only a minor fraction of enhancer-promoter contacts are lost, affecting a small subset of genes. The CTCF-dependent enhancer-promoter contacts tend to be long-range, spanning hundreds of kilobases, and are established directly by CTCF binding to promoters. Disruption of CTCF binding at the promoter reduces enhancer-promoter contacts and transcription, while artificial tethering of CTCF to the promoter restores the enhancer-promoter contacts and gene activation. Genome-wide analysis of CTCF binding and gene expression across multiple mouse tissues suggests that CTCF-dependent promoter-enhancer contacts may regulate expression of additional mouse genes, particularly those expressed in the brain. Our results uncover both CTCF-dependent and independent enhancer-promoter contacts, and highlight a distinct role for CTCF in promoting enhancer-promoter contacts and gene activation in addition to its insulator function.

ABSTRACT Understanding how genetic variants impact molecular phenotypes is a key goal of functional genomics, currently hindered by reliance on a single haploid reference genome. Here, we present the EN-TEx resource of personal epigenomes, for ∼25 tissues and >10 assays in four donors (>1500 open-access functional genomic and proteomic datasets, in total). Each dataset is mapped to a matched, diploid personal genome, which has long-read phasing and structural variants. The mappings enable us to identify >1 million loci with allele-specific behavior. These loci exhibit coordinated epigenetic activity along haplotypes and less conservation than matched, non-allele-specific loci, in a fashion broadly paralleling tissue-specificity. Surprisingly, they can be accurately modelled just based on local nucleotide-sequence context. Combining EN-TEx with existing genome annotations reveals strong associations between allele-specific and GWAS loci and enables models for transferring known eQTLs to difficult-to-profile tissues. Overall, EN-TEx provides rich data and generalizable models for more accurate personal functional genomics.

Abstract Dynamic restructuring of chromatin architecture has been implicated in cell-type specific gene regulatory programs; yet, how chromatin remodels during lineage specification remains to be elucidated. Through interrogating chromatin reorganization during human cardiomyocyte differentiation, we uncover dynamic chromatin interactions between genes and distal regulatory elements harboring noncoding variants associated with adult and congenital heart diseases. Unexpectedly, we also discover a new class of human pluripotent stem cell (PSC)-specific topologically associating domains (TAD) that are created by the actively transcribed endogenous retrotransposon HERV-H. Deletion or silencing of specific HERV-H elements eliminates corresponding TAD boundaries, while de novo insertion of HERV-H can introduce new chromatin domain boundaries in human PSCs. Furthermore, comparative analysis of chromatin architecture in other species that lack HERV-H sequences supports a role for actively transcribed HERV-H in demarcating human PSC-specific TADs. The biological role of HERV-H is further underscored by the observation that deletion of a specific HERV-H reduces transcription of genes upstream and facilitates cell differentiation. Overall, our results highlight a previously unrecognized role for retrotransposons in restructuring genome architecture in the human genome and delineate dynamic gene regulatory networks during cardiomyocyte development that inform how non-coding genetic variants contribute to human heart diseases.

Summary Topologically associating domain (TAD) boundaries are thought to partition the genome into distinct regulatory territories. Anecdotal evidence suggests that their disruption may interfere with normal gene expression and cause disease phenotype 1–3 , but the overall extent to which this occurs remains unknown. Here we show that TAD boundary deletions commonly disrupt normal genome function in vivo . We used CRISPR genome editing in mice to individually delete eight TAD boundaries (11-80kb in size) from the genome in mice. All deletions examined resulted in at least one detectable molecular or organismal phenotype, which included altered chromatin interactions or gene expression, reduced viability, and anatomical phenotypes. For 5 of 8 (62%) loci examined, boundary deletions were associated with increased embryonic lethality or other developmental phenotypes. For example, a TAD boundary deletion near Smad3/Smad6 caused complete embryonic lethality, while a deletion near Tbx5/Lhx5 resulted in a severe lung malformation. Our findings demonstrate the importance of TAD boundary sequences for in vivo genome function and suggest that noncoding deletions affecting TAD boundaries should be carefully considered for potential pathogenicity in clinical genetics screening.