Over 225,000 independent Agrobacterium transferred DNA (T-DNA) insertion events in the genome of the reference plant Arabidopsis thaliana have been created that represent near saturation of the gene space. The precise locations were determined for more than 88,000 T-DNA insertions, which resulted in the identification of mutations in more than 21,700 of the ∼29,454 predicted Arabidopsis genes. Genome-wide analysis of the distribution of integration events revealed the existence of a large integration site bias at both the chromosome and gene levels. Insertion mutations were identified in genes that are regulated in response to the plant hormone ethylene.

A defining feature of HIV replication is integration of the proviral cDNA into human DNA. The selection of chromosomal targets for integration is crucial for efficient viral replication, but the mechanism is poorly understood. Here we describe mapping of 524 sites of HIV cDNA integration on the human genome sequence. Genes were found to be strongly favored as integration acceptor sites. Global analysis of cellular transcription indicated that active genes were preferential integration targets, particularly genes that were activated in cells after infection by HIV-1. Regional hotspots for integration were also found, including a 2.4 kb region containing 1% of sites. These data document unexpectedly strong biases in integration site selection and suggest how selective targeting promotes aggressive HIV replication.

Cytosine methylation is important for transposon silencing and epigenetic regulation of endogenous genes, although the extent to which this DNA modification functions to regulate the genome is still unknown. Here we report the first comprehensive DNA methylation map of an entire genome, at 35 base pair resolution, using the flowering plant Arabidopsis thaliana as a model. We find that pericentromeric heterochromatin, repetitive sequences, and regions producing small interfering RNAs are heavily methylated. Unexpectedly, over one-third of expressed genes contain methylation within transcribed regions, whereas only ∼5% of genes show methylation within promoter regions. Interestingly, genes methylated in transcribed regions are highly expressed and constitutively active, whereas promoter-methylated genes show a greater degree of tissue-specific expression. Whole-genome tiling-array transcriptional profiling of DNA methyltransferase null mutants identified hundreds of genes and intergenic noncoding RNAs with altered expression levels, many of which may be epigenetically controlled by DNA methylation.

Hormones and nutrients often induce genetic programs via signaling pathways that interface with gene-specific activators. Activation of the cAMP pathway, for example, stimulates cellular gene expression by means of the PKA-mediated phosphorylation of cAMP-response element binding protein (CREB) at Ser-133. Here, we use genome-wide approaches to characterize target genes that are regulated by CREB in different cellular contexts. CREB was found to occupy ≈4,000 promoter sites in vivo , depending on the presence and methylation state of consensus cAMP response elements near the promoter. The profiles for CREB occupancy were very similar in different human tissues, and exposure to a cAMP agonist stimulated CREB phosphorylation over a majority of these sites. Only a small proportion of CREB target genes was induced by cAMP in any cell type, however, due in part to the preferential recruitment of the coactivator CREB-binding protein to those promoters. These results indicate that CREB phosphorylation alone is not a reliable predictor of target gene activation and that additional CREB regulatory partners are required for recruitment of the transcriptional apparatus to the promoter.

The completion of the human genome sequence has made possible genome-wide studies of retroviral DNA integration. Here we report an analysis of 3,127 integration site sequences from human cells. We compared retroviral vectors derived from human immunodeficiency virus (HIV), avian sarcoma-leukosis virus (ASLV), and murine leukemia virus (MLV). Effects of gene activity on integration targeting were assessed by transcriptional profiling of infected cells. Integration by HIV vectors, analyzed in two primary cell types and several cell lines, strongly favored active genes. An analysis of the effects of tissue-specific transcription showed that it resulted in tissue-specific integration targeting by HIV, though the effect was quantitatively modest. Chromosomal regions rich in expressed genes were favored for HIV integration, but these regions were found to be interleaved with unfavorable regions at CpG islands. MLV vectors showed a strong bias in favor of integration near transcription start sites, as reported previously. ASLV vectors showed only a weak preference for active genes and no preference for transcription start regions. Thus, each of the three retroviruses studied showed unique integration site preferences, suggesting that virus-specific binding of integration complexes to chromatin features likely guides site selection.

Functional analysis of a genome requires accurate gene structure information and a complete gene inventory. A dual experimental strategy was used to verify and correct the initial genome sequence annotation of the reference plant Arabidopsis . Sequencing full-length cDNAs and hybridizations using RNA populations from various tissues to a set of high-density oligonucleotide arrays spanning the entire genome allowed the accurate annotation of thousands of gene structures. We identified 5817 novel transcription units, including a substantial amount of antisense gene transcription, and 40 genes within the genetically defined centromeres. This approach resulted in completion of âˆ¼30% of the Arabidopsis ORFeome as a resource for global functional experimentation of the plant proteome.

An analysis of protein-protein interactions in Arabidopsis identifies the plant interactome.

Epigenetic mechanisms have been proposed to play crucial roles in mammalian development, but their precise functions are only partially understood. To investigate epigenetic regulation of embryonic development, we differentiated human embryonic stem cells into mesendoderm, neural progenitor cells, trophoblast-like cells, and mesenchymal stem cells and systematically characterized DNA methylation, chromatin modifications, and the transcriptome in each lineage. We found that promoters that are active in early developmental stages tend to be CG rich and mainly engage H3K27me3 upon silencing in nonexpressing lineages. By contrast, promoters for genes expressed preferentially at later stages are often CG poor and primarily employ DNA methylation upon repression. Interestingly, the early developmental regulatory genes are often located in large genomic domains that are generally devoid of DNA methylation in most lineages, which we termed DNA methylation valleys (DMVs). Our results suggest that distinct epigenetic mechanisms regulate early and late stages of ES cell differentiation.

The genomes of individuals from the same species vary in sequence as a result of different evolutionary processes. To examine the patterns of, and the forces shaping, sequence variation in Arabidopsis thaliana , we performed high-density array resequencing of 20 diverse strains (accessions). More than 1 million nonredundant single-nucleotide polymorphisms (SNPs) were identified at moderate false discovery rates (FDRs), and ∼4% of the genome was identified as being highly dissimilar or deleted relative to the reference genome sequence. Patterns of polymorphism are highly nonrandom among gene families, with genes mediating interaction with the biotic environment having exceptional polymorphism levels. At the chromosomal scale, regional variation in polymorphism was readily apparent. A scan for recent selective sweeps revealed several candidate regions, including a notable example in which almost all variation was removed in a 500-kilobase window. Analyzing the polymorphisms we describe in larger sets of accessions will enable a detailed understanding of forces shaping population-wide sequence variation in A. thaliana .

As part of the Epigenome Roadmap Project, genome-wide maps of DNA methylation and transcriptomes together with genomic DNA sequencing of 18 different primary human tissue types from 4 individuals are presented; analysis reveals widespread differential methylation of CG sites between tissues, and the presence of non-CG methylation in adult tissues. As part of the Epigenome Roadmap project, Joseph Ecker and colleagues provide genome-wide maps of DNA methylation and transcriptomes, in conjunction with genomic DNA sequencing, of 18 different primary human tissue types from four individuals. Analysis of the datasets reveals widespread differential methylation of CG sites between tissues, and methylation at regulatory elements generally has a negative correlation with gene expression as expected. A surprising amount of non-CG methylation is found in a subpopulation of cells in many tissues. Understanding the diversity of human tissues is fundamental to disease and requires linking genetic information, which is identical in most of an individual’s cells, with epigenetic mechanisms that could have tissue-specific roles. Surveys of DNA methylation in human tissues have established a complex landscape including both tissue-specific and invariant methylation patterns1,2. Here we report high coverage methylomes that catalogue cytosine methylation in all contexts for the major human organ systems, integrated with matched transcriptomes and genomic sequence. By combining these diverse data types with each individuals’ phased genome3, we identified widespread tissue-specific differential CG methylation (mCG), partially methylated domains, allele-specific methylation and transcription, and the unexpected presence of non-CG methylation (mCH) in almost all human tissues. mCH correlated with tissue-specific functions, and using this mark, we made novel predictions of genes that escape X-chromosome inactivation in specific tissues. Overall, DNA methylation in several genomic contexts varies substantially among human tissues.