SUMMARY Polycomb-group proteins play critical roles in gene silencing through the deposition of histone H3 lysine 27 trimethylation (H3K27me3) and chromatin compaction 1-5 . This process is essential for embryonic stem cell (ESCs) pluripotency, differentiation, and development. Polycomb repressive complex 2 (PRC2) can both read and write H3K27me3, enabling progressive spread of H3K27me3 on the linear genome 6 . Long-range Polycomb-associated DNA contacts have also been described, but their regulation and role in gene silencing remains unclear 7-10 . Here, we apply H3K27me3 HiChIP 11-13 , a protein-directed chromosome conformation method, and optical reconstruction of chromatin architecture 14 to profile long-range Polycomb-associated DNA loops that span tens to hundreds of megabases across multiple topological associated domains in mouse ESCs and human induced pluripotent stem cells 7-10 . We find that H3K27me3 loop anchors are enriched for Polycomb nucleation points and coincide with key developmental genes, such as Hmx1, Wnt6 and Hoxa . Genetic deletion of H3K27me3 loop anchors revealed a coupling of Polycomb-associated genome architecture and H3K27me3 deposition evidenced by disruption of spatial contact between distant loci and altered H3K27me3 in cis , both locally and megabases away on the same chromosome. Further, we find that global alterations in PRC2 occupancy resulting from an EZH2 mutant 15 selectively deficient in RNA binding is accompanied by loss of Polycomb-associated DNA looping. Together, these results suggest PRC2 acts as a “genomic wormhole”, using RNA binding to enhance long range chromosome folding and H3K27me3 spreading. Additionally, developmental gene loci have novel roles in Polycomb spreading, emerging as important architectural elements of the epigenome.

Abstract Metastasis is the leading cause of cancer-related deaths, enabling cancer cells to expand to secondary sites and compromise organ function 1 . Given that primary tumors and metastases often share the same constellation of driver mutations 2–4 , the mechanisms driving their distinct phenotypes are unclear. Here, we show that inactivation of the frequently mutated tumor suppressor gene, liver kinase B1 (LKB1), has evolving effects throughout lung cancer progression, leading to the differential epigenetic re-programming of early-stage primary tumors compared to late-stage metastases. By integrating genome-scale CRISPR/Cas9 screening with bulk and single-cell multi-omic analyses, we unexpectedly identify LKB1 as a master regulator of chromatin accessibility in lung adenocarcinoma primary tumors. Using an in vivo model of metastatic progression, we further reveal that loss of LKB1 activates the early endoderm transcription factor SOX17 in metastases and a metastatic-like sub-population of cancer cells within primary tumors. SOX17 expression is necessary and sufficient to drive a second wave of epigenetic changes in LKB1-deficient cells that enhances metastatic ability. Overall, our study demonstrates how the downstream effects of an individual driver mutation can appear to change throughout cancer development, with implications for stage-specific therapeutic resistance mechanisms and the gene regulatory underpinnings of metastatic evolution.

Normal human hematopoiesis involves cellular differentiation of multipotent cells into progressively more lineage-restricted states. While epigenomic landscapes of this process have been explored in immunophenotypically-defined populations, the single-cell regulatory variation that defines hematopoietic differentiation has been hidden by ensemble averaging. We generated single-cell chromatin accessibility landscapes across 8 populations of immunophenotypically-defined human hematopoietic cell types. Using bulk chromatin accessibility profiles to scaffold our single-cell data analysis, we constructed an epigenomic landscape of human hematopoiesis and characterized epigenomic heterogeneity within phenotypically sorted populations to find epigenomic lineage-bias toward different developmental branches in multipotent stem cell states. We identify and isolate sub-populations within classically-defined granulocyte-macrophage progenitors (GMPs) and use ATAC-seq and RNA-seq to confirm that GMPs are epigenomically and transcriptomically heterogeneous. Furthermore, we identified transcription factors and cis-regulatory elements linked to changes in chromatin accessibility within cellular populations and across a continuous myeloid developmental trajectory, and observe relatively simple TF motif dynamics give rise to a broad diversity of accessibility dynamics at cis-regulatory elements. Overall, this work provides a template for exploration of complex regulatory dynamics in primary human tissues at the ultimate level of granular specificity - the single cell.

ABSTRACT Extrachromosomal DNAs (ecDNAs) are prevalent in human cancers and mediate high oncogene expression through elevated copy number and altered gene regulation 1 . Gene expression typically involves distal enhancer DNA elements that contact and activate genes on the same chromosome 2,3 . Here we show that ecDNA hubs, comprised of ~10-100 ecDNAs clustered in the nucleus of interphase cells, drive intermolecular enhancer input for amplified oncogene expression. Single-molecule sequencing, single-cell multiome, and 3D enhancer connectome reveal subspecies of MYC-PVT1 ecDNAs lacking enhancers that access intermolecular and ectopic enhancer-promoter interactions in ecDNA hubs. ecDNA hubs persist without transcription and are tethered by BET protein BRD4. BET inhibitor JQ1 disperses ecDNA hubs, preferentially inhibits ecDNA oncogene transcription, and kills ecDNA+ cancer cells. Two amplified oncogenes MYC and FGFR2 intermix in ecDNA hubs, engage in intermolecular enhancer-promoter interactions, and transcription is uniformly sensitive to JQ1. Thus, ecDNA hubs are nuclear bodies of many ecDNAs tethered by proteins and platforms for cooperative transcription, leveraging the power of oncogene diversification and combinatorial DNA interactions. We suggest ecDNA hubs, rather than individual ecDNAs, as units of oncogene function, cooperative evolution, and new targets for cancer therapy.

Abstract Transgenerational transmission of epiphenotypes is poorly understood. Here we show that exposure of pregnant mouse F0 females to BPA results in obesity in the F2 progeny due to increased food intake and leptin resistance. This epiphenotype can be transmitted up to the F6 generation and disappears in F7. Analyses of chromatin accessibility in sperm of the F1-F6 generations reveals alterations in the binding of CTCF at two enhancers of the Fto gene in obese but not control animals that correlates with transmission of obesity. Deletion of the CTCF site in Fto results in mice that fail to become obese when exposed to BPA. These Fto enhancers show increased interactions in sperm of obese mice with the Irx3 and Irx5 genes, which are involved in the differentiation of appetite controlling AgRP/NPY neurons. Single-nucleus and immunofluorescence analyses in the arcuate nucleus of the hypothalamus suggest that exposure to BPA results in expansion of the number of orexigenic AgRP neurons. This expansion correlates with increased accessibility of the Fto proximal enhancer in radial glia-like neural stem cells (RG-NSCs), which give rise to AgRP/NPY neurons, and in mature oligodendrocytes. The results provide a molecular mechanism for transgenerational inheritance in mammals and suggest that both genetic and epigenetic alterations of Fto can lead to the same phenotypic outcomes.

The challenge of linking intergenic mutations to target genes has limited molecular understanding of human diseases. Here, we show that H3K27ac HiChIP generates high-resolution contact maps of active enhancers and target genes in rare primary human T cell subtypes and coronary artery smooth muscle cells. Differentiation of naive T cells to T helper 17 cells or regulatory T cells creates subtype-specific enhancer-promoter interactions, specifically at regions of shared DNA accessibility. These data provide a principled means of assigning molecular functions to autoimmune and cardiovascular disease risk variants, linking hundreds of noncoding variants to putative gene targets. Target genes identified with HiChIP are further supported by CRISPR interference and activation at linked enhancers, by the presence of expression quantitative trait loci, and by allele-specific enhancer loops in patient-derived primary cells. The majority of disease-associated enhancers contact genes beyond the nearest gene in the linear genome, leading to a four-fold increase of potential target genes for autoimmune and cardiovascular diseases.

ABSTRACT In our cells, a limited number of RNA binding proteins (RBPs) are responsible for all aspects of RNA metabolism across the entire transcriptome. To accomplish this, RBPs form regulatory units that act on specific target regulons. However, the landscape of RBP combinatorial interactions remains poorly explored. Here, we performed a systematic annotation of RBP combinatorial interactions via multimodal data integration. We built a large-scale map of RBP protein neighborhoods by generating in vivo proximity-dependent biotinylation datasets of 50 human RBPs. In parallel, we used CRISPR interference with single-cell readout to capture transcriptomic changes upon RBP knockdowns. By combining these physical and functional interaction readouts, along with the atlas of RBP mRNA targets from eCLIP assays, we generated an integrated map of functional RBP interactions. We then used this map to match RBPs to their context-specific functions and validated the predicted functions biochemically for four RBPs. This study highlights the previously underappreciated scale of the inter-RBP interactions, be it genetic or physical, and is a first step towards a more comprehensive understanding of post-transcriptional regulatory processes and their underlying molecular grammar.

Simultaneous measurement of cell lineage and cell fates is a longstanding goal in biomedicine. Here we describe EMBLEM, a strategy to track cell lineage using endogenous mitochondrial DNA variants in ATAC-seq data. We show that somatic mutations in mitochondrial DNA can reconstruct cell lineage relationships at single cell resolution with high sensitivity and specificity. Using EMBLEM, we define the genetic and epigenomic clonal evolution of hematopoietic stem cells and their progenies in patients with acute myeloid leukemia. EMBLEM extends lineage tracing to any eukaryotic organism without genetic engineering.

ABSTRACT The advent of large-scale single-cell chromatin accessibility profiling has accelerated our ability to map gene regulatory landscapes, but has outpaced the development of robust, scalable software to rapidly extract biological meaning from these data. Here we present a software suite for single-cell a nalysis of regulatory ch romatin in R (ArchR; www.ArchRProject.com ) that enables fast and comprehensive analysis of single-cell chromatin accessibility data. ArchR provides an intuitive, user-focused interface for complex single-cell analyses including doublet removal, single-cell clustering and cell type identification, robust peak set generation, cellular trajectory identification, DNA element to gene linkage, transcription factor footprinting, mRNA expression level prediction from chromatin accessibility, and multi-omic integration with scRNA-seq. Enabling the analysis of over 1.2 million single cells within 8 hours on a standard Unix laptop, ArchR is a comprehensive analytical suite for end-to-end analysis of single-cell chromatin accessibility data that will accelerate the understanding of gene regulation at the resolution of individual cells.

Summary Telomerase is intimately associated with stem cells and upregulated in cancer, where it serves essential roles through its catalytic action in elongating telomeres, nucleoprotein caps that protect chromosome ends 1 . Overexpression of the telomerase reverse transcriptase (TERT) enhances cell proliferation through telomere-independent means, yet definitive evidence for such a direct role in stem cell function has yet to be revealed through loss-of-function studies. Here, we show that conditional deletion of TERT in spermatogonial stem cells (SSCs) markedly impairs competitive clone formation. Using lineage-tracing from the Tert locus, we find that TERT-expressing SSCs yield long-lived clones, but that selective TERT-inactivation in SSCs causes accelerated stem cell differentiation thereby disrupting clone formation. This requirement for TERT in clone formation is bypassed by expression of a catalytically inactive TERT transgene and occurs independently of the canonical telomerase complex. TERT inactivation induces a genome-wide reduction in open chromatin evident in purified SSCs, but not in committed progenitor cells. Loss of TERT causes reduced activity of the MYC oncogene and transgenic expression of MYC in TERT-deleted SSCs efficiently rescues clone formation. These data reveal a required catalytic activity-independent role for TERT in preventing stem cell differentiation, forge a genetic link between TERT and MYC and suggest new means by which TERT may promote tumorigenesis.