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 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.

A genomic map of nearly 300,000 potential cis-regulatory sequences determined from diverse mouse tissues and cell types reveals active promoters, enhancers and CCCTC-binding factor sites encompassing 11% of the mouse genome and significantly expands annotation of mammalian regulatory sequences. The identification of cis-regulatory sequences in the mouse genome has lagged behind that of other model organisms. Here, a genomic map of nearly 300,000 potential cis-regulatory sequences has been experimentally determined from diverse mouse tissues and cell types. The map reveals active promoters, enhancers and CTCF (CCCTC-binding factor) sites in nearly 11% of the mouse genome and significantly expands the annotation of mammalian regulatory sequences. The laboratory mouse is the most widely used mammalian model organism in biomedical research. The 2.6 × 109 bases of the mouse genome possess a high degree of conservation with the human genome1, so a thorough annotation of the mouse genome will be of significant value to understanding the function of the human genome. So far, most of the functional sequences in the mouse genome have yet to be found, and the cis-regulatory sequences in particular are still poorly annotated. Comparative genomics has been a powerful tool for the discovery of these sequences2, but on its own it cannot resolve their temporal and spatial functions. Recently, ChIP-Seq has been developed to identify cis-regulatory elements in the genomes of several organisms including humans, Drosophila melanogaster and Caenorhabditis elegans3,4,5. Here we apply the same experimental approach to a diverse set of 19 tissues and cell types in the mouse to produce a map of nearly 300,000 murine cis-regulatory sequences. The annotated sequences add up to 11% of the mouse genome, and include more than 70% of conserved non-coding sequences. We define tissue-specific enhancers and identify potential transcription factors regulating gene expression in each tissue or cell type. Finally, we show that much of the mouse genome is organized into domains of coordinately regulated enhancers and promoters. Our results provide a resource for the annotation of functional elements in the mammalian genome and for the study of mechanisms regulating tissue-specific gene expression.

Eukaryotic chromosomes replicate in a temporal order known as the replication-timing program. In mammals, replication timing is cell-type-specific with at least half the genome switching replication timing during development, primarily in units of 400-800 kilobases ('replication domains'), whose positions are preserved in different cell types, conserved between species, and appear to confine long-range effects of chromosome rearrangements. Early and late replication correlate, respectively, with open and closed three-dimensional chromatin compartments identified by high-resolution chromosome conformation capture (Hi-C), and, to a lesser extent, late replication correlates with lamina-associated domains (LADs). Recent Hi-C mapping has unveiled substructure within chromatin compartments called topologically associating domains (TADs) that are largely conserved in their positions between cell types and are similar in size to replication domains. However, TADs can be further sub-stratified into smaller domains, challenging the significance of structures at any particular scale. Moreover, attempts to reconcile TADs and LADs to replication-timing data have not revealed a common, underlying domain structure. Here we localize boundaries of replication domains to the early-replicating border of replication-timing transitions and map their positions in 18 human and 13 mouse cell types. We demonstrate that, collectively, replication domain boundaries share a near one-to-one correlation with TAD boundaries, whereas within a cell type, adjacent TADs that replicate at similar times obscure replication domain boundaries, largely accounting for the previously reported lack of alignment. Moreover, cell-type-specific replication timing of TADs partitions the genome into two large-scale sub-nuclear compartments revealing that replication-timing transitions are indistinguishable from late-replicating regions in chromatin composition and lamina association and accounting for the reduced correlation of replication timing to LADs and heterochromatin. Our results reconcile cell-type-specific sub-nuclear compartmentalization and replication timing with developmentally stable structural domains and offer a unified model for large-scale chromosome structure and function.

Differential methylation of the two parental genomes in placental mammals is essential for genomic imprinting and embryogenesis. To systematically study this epigenetic process, we have generated a base-resolution, allele-specific DNA methylation (ASM) map in the mouse genome. We find parent-of-origin dependent (imprinted) ASM at 1,952 CG dinucleotides. These imprinted CGs form 55 discrete clusters including virtually all known germline differentially methylated regions (DMRs) and 23 previously unknown DMRs, with some occurring at microRNA genes. We also identify sequence-dependent ASM at 131,765 CGs. Interestingly, methylation at these sites exhibits a strong dependence on the immediate adjacent bases, allowing us to define a conserved sequence preference for the mammalian DNA methylation machinery. Finally, we report a surprising presence of non-CG methylation in the adult mouse brain, with some showing evidence of imprinting. Our results provide a resource for understanding the mechanisms of imprinting and allele-specific gene expression in mammalian cells.

To complement the human Encyclopedia of DNA Elements (ENCODE) project and to enable a broad range of mouse genomics efforts, the Mouse ENCODE Consortium is applying the same experimental pipelines developed for human ENCODE to annotate the mouse genome.

Bing Ren and colleagues generate base-resolution maps of DNA methylation in 17 adult mouse tissues. They identify tissue-specific differentially methylated regions and show that they occur at distal cis-regulatory elements, many of which bear enhancer features. Mammalian development requires cytosine methylation, a heritable epigenetic mark of cellular memory believed to maintain a cell's unique gene expression pattern. However, it remains unclear how dynamic DNA methylation relates to cell type–specific gene expression and animal development. Here, by mapping base-resolution methylomes in 17 adult mouse tissues at shallow coverage, we identify 302,864 tissue-specific differentially methylated regions (tsDMRs) and estimate that >6.7% of the mouse genome is variably methylated. Supporting a prominent role for DNA methylation in gene regulation, most tsDMRs occur at distal cis-regulatory elements. Unexpectedly, some tsDMRs mark enhancers that are dormant in adult tissues but active in embryonic development. These 'vestigial' enhancers are hypomethylated and lack active histone modifications in adult tissues but nevertheless exhibit activity during embryonic development. Our results provide new insights into the role of DNA methylation at tissue-specific enhancers and suggest that epigenetic memory of embryonic development may be retained in adult tissues.

Here, we introduce the 3D Genome Browser, http://3dgenome.org , which allows users to conveniently explore both their own and over 300 publicly available chromatin interaction data of different types. We design a new binary data format for Hi-C data that reduces the file size by at least a magnitude and allows users to visualize chromatin interactions over millions of base pairs within seconds. Our browser provides multiple methods linking distal cis-regulatory elements with their potential target genes. Users can seamlessly integrate thousands of other omics data to gain a comprehensive view of both regulatory landscape and 3D genome structure.

Hi-C is a powerful technology for studying genome-wide chromatin interactions. However, current methods for assessing Hi-C data reproducibility can produce misleading results because they ignore spatial features in Hi-C data, such as domain structure and distance dependence. We present HiCRep, a framework for assessing the reproducibility of Hi-C data that systematically accounts for these features. In particular, we introduce a novel similarity measure, the stratum adjusted correlation coefficient (SCC), for quantifying the similarity between Hi-C interaction matrices. Not only does it provide a statistically sound and reliable evaluation of reproducibility, SCC can also be used to quantify differences between Hi-C contact matrices and to determine the optimal sequencing depth for a desired resolution. The measure consistently shows higher accuracy than existing approaches in distinguishing subtle differences in reproducibility and depicting interrelationships of cell lineages. The proposed measure is straightforward to interpret and easy to compute, making it well-suited for providing standardized, interpretable, automatable, and scalable quality control. The freely available R package HiCRep implements our approach.

Structural variants (SVs) can contribute to oncogenesis through a variety of mechanisms. Despite their importance, the identification of SVs in cancer genomes remains challenging. Here, we present a framework that integrates optical mapping, high-throughput chromosome conformation capture (Hi-C), and whole-genome sequencing to systematically detect SVs in a variety of normal or cancer samples and cell lines. We identify the unique strengths of each method and demonstrate that only integrative approaches can comprehensively identify SVs in the genome. By combining Hi-C and optical mapping, we resolve complex SVs and phase multiple SV events to a single haplotype. Furthermore, we observe widespread structural variation events affecting the functions of noncoding sequences, including the deletion of distal regulatory sequences, alteration of DNA replication timing, and the creation of novel three-dimensional chromatin structural domains. Our results indicate that noncoding SVs may be underappreciated mutational drivers in cancer genomes. The authors present an integrative framework for identifying structural variants (SVs) in cancer that applies optical mapping, Hi-C, and whole-genome sequencing. They find SVs affecting distal regulatory sequences, DNA replication, and three-dimensional chromatin structure.