Abstract Among the biggest challenges in the post-GWAS (genome-wide association studies) era is the interpretation of disease-associated genetic variants in non-coding genomic regions. Enhancers have emerged as key players in mediating the effect of genetic variants on complex traits and diseases. Their activity is regulated by a combination of transcription factors (TFs), epigenetic changes and genetic variants. Several approaches exist to link enhancers to their target genes, and others that infer TF-gene connections. However, we currently lack a framework that systematically integrates enhancers into TF-gene regulatory networks. Furthermore, we lack an unbiased way of assessing whether inferred regulatory interactions are biologically meaningful. Here we present two methods, implemented as user-friendly R packages: GRaNIE (Gene Regulatory Network Inference including Enhancers) for building enhancer-based gene regulatory networks (eGRNs) and GRaNPA (Gene Regulatory Network Performance Analysis) for evaluating GRNs. GRaNIE jointly infers TF-enhancer, enhancer-gene and TF-gene interactions by integrating open chromatin data such as ATAC-Seq or H3K27ac with RNA-seq across a set of samples (e.g. individuals), and optionally also Hi-C data. GRaNPA is a general framework for evaluating the biological relevance of TF-gene GRNs by assessing their performance for predicting cell-type specific differential expression. We demonstrate the power of our tool-suite by investigating gene regulatory mechanisms in macrophages that underlie their response to infection and cancer, their involvement in common genetic diseases including autoimmune diseases, and identify the TF PURA as putative regulator of pro-inflammatory macrophage polarisation. Availability - GRaNIE: https://bioconductor.org/packages/release/bioc/html/GRaNIE.html - GRaNPA: https://git.embl.de/grp-zaugg/GRaNPA Graphical abstract

Abstract Bone marrow mesenchymal stromal cells (BMSCs) can differentiate into adipocytes and osteoblasts, and are important regulators of the haematopoietic system. Ageing associates with an increased ratio of bone marrow adipocytes to osteoblasts and immune dysregulation. Here, we carried out an integrative multiomics analysis of ATAC-Seq, RNA-Seq and proteomics data from primary human BMSCs in a healthy cohort age between 20 - 60. We identified age-sensitive elements uniquely affecting each molecular level where transcription is mostly spared, and characterised the underlying biological pathways, revealing the interplay of age-related gene expression mechanism changes spanning multiple gene regulatory layers. Through data integration with enhancer-mediated gene regulatory network analysis, we discovered that enhancers and transcription factors influence cell differentiation potential in the ageing BMSCs. By combining our results with genome-wide association study data, we found that age-specific changes could contribute to common traits related to BMSC-derived tissues such as bone and adipose tissue, and to immune-related traits on a systemic level such as asthma. We demonstrate here that a multiomics approach is crucial for unravelling complex information, providing new insights on how ageing contributes to bone marrow- and immune-related disorders.

Abstract Lysine-specific demethylase 1 (LSD1/KDM1A) demethylates both histone and non-histone substrates, recruits repressive chromatin complexes, and is increased in cancers. De novo LSD1 mutations impairing protein function lead to a rare developmental disorder, but the molecular details of the pathology remains unclear. Using patient-derived fibroblasts, reprogrammed pluripotent stem cells, and differentiated cells, we found over 4000 differentially expressed genes and 68 transcription factors (TFs) whose motif accessibilities changed upon LSD1 mutation. An enhancer-mediated gene regulatory network approach identified transcriptional repressors with impaired activity in fibroblast and stem cells, leading to erroneous activation of their target genes. We also revealed overall decreases in TF target gene expression during early lineage differentiation of LSD1 mutant stem cells, likely caused by increased activity of repressive histone deacetylases (HDACs), co-factors of LSD1. Indeed, an HDACs inhibitor restored changes in gene expression including downregulation phenotype. Our findings characterize the molecular pathogenesis of LSD1 mutations and suggest potential therapeutic strategies for the developmental disorder and cancers caused by LSD1 dysregulations.

The question of how metabolism impacts development is seeing a renaissance. How metabolism exerts instructive signaling functions is one of the central issues that need to be resolved. We tackled this question in the context of mouse embryonic axis segmentation. Previous studies have shown that changes in central carbon metabolism impact Wnt signaling and the period of the segmentation clock, which controls the timing of axis segmentation. Here, we reveal that glycolysis tunes the segmentation clock period in an anti-correlated manner: higher glycolytic flux slows down the clock, and vice versa. Transcriptome and gene regulatory network analyses identified Wnt signaling and specifically the transcription factor Tcf7l2, previously associated with increased risk for diabetes, as potential mechanisms underlying flux-dependent control of the clock period. Critically, we show that deletion of the Wnt antagonist Dkk1 rescued the slow segmentation clock phenotype caused by increased glycolysis, demonstrating that glycolysis instructs Wnt signaling to control the clock period. In addition, we demonstrate metabolic entrainment of the segmentation clock: periodic changes in the levels of glucose or glycolytic sentinel metabolite fructose 1,6-bisphosphate (FBP) synchronize signaling oscillations. Notably, periodic FBP pulses first entrained Wnt signaling oscillations and subsequently Notch signaling oscillations. We hence conclude that metabolic entrainment has an immediate, specific effect on Wnt signaling. Combined, our work identifies a glycolysis-FBP-Wnt signaling axis that tunes developmental timing, highlighting the instructive signaling role of metabolism in embryonic development.

Abstract Histone modifications are associated with distinct transcriptional states, but it is unclear whether they instruct gene expression. To investigate this, we mutated histone H3.3 K9 and K27 residues in mouse embryonic stem cells (mESCs). Here, we find that H3.3K9 is essential for controlling specific distal intergenic regions and for proper H3K27me3 deposition at promoters. The H3.3K9A mutation resulted in decreased H3K9me3 at regions encompassing endogenous retroviruses and induced a gain of H3K27ac and nascent transcription. These changes in the chromatin environment unleashed cryptic enhancers, resulting in the activation of distinctive transcriptional programs and culminating in protein expression normally restricted to specialized immune cell types. The H3.3K27A mutant disrupted deposition and spreading of the repressive H3K27me3 mark, particularly impacting bivalent genes with higher basal level of H3.3 at promoters. Therefore, H3.3K9 and K27 crucially orchestrate repressive chromatin states at cis -regulatory elements and bivalent promoters, respectively, and instruct proper transcription in mESCs.