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.

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 Genetic variants associated with type 2 diabetes (T2D) risk affect gene regulation in metabolically relevant tissues, such as pancreatic islets. Here, we investigated contributions of regulatory programs active during pancreatic development to T2D risk. Generation of chromatin maps from developmental precursors throughout pancreatic differentiation of human embryonic stem cells (hESCs) identifies enrichment of T2D variants in pancreatic progenitor-specific stretch enhancers that are not active in islets. Genes associated with progenitor-specific stretch enhancers are predicted to regulate developmental processes, most notably tissue morphogenesis. Through gene editing in hESCs, we demonstrate that progenitor-specific enhancers harboring T2D-associated variants regulate cell polarity genes LAMA1 and CRB2 . Knockdown of lama1 or crb2 in zebrafish embryos causes a defect in pancreas morphogenesis and impairs islet cell development. Together, our findings reveal that a subset of T2D risk variants specifically affects pancreatic developmental programs, suggesting that dysregulation of developmental processes can predispose to T2D.

Abstract Background Expansions of short tandem repeats are the cause of many neurogenetic disorders including familial amyotrophic lateral sclerosis, Huntington disease, and many others. Multiple methods have been recently developed that can identify repeat expansions in whole genome or exome sequencing data. Despite the widely-recognized need for visual assessment of variant calls in clinical settings, current computational tools lack the ability to produce such visualizations for repeat expansions. Expanded repeats are difficult to visualize because they correspond to large insertions relative to the reference genome and involve many misaligning and ambiguously aligning reads. Results We implemented REViewer, a computational method for visualization of sequencing data in genomic regions containing long repeat expansions. To generate a read pileup, REViewer reconstructs local haplotype sequences and distributes reads to these haplotypes in a way that is most consistent with the fragment lengths and evenness of read coverage. To create appropriate training materials for onboarding new users, we performed a concordance study involving 12 scientists involved in STR research. We used the results of this study to create a user guide that describes the basic principles of using REViewer as well as a guide to the typical features of read pileups that correspond to low confidence repeat genotype calls. Additionally, we demonstrated that REViewer can be used to annotate clinically-relevant repeat interruptions by comparing visual assessment results of 44 FMR1 repeat alleles with the results of triplet repeat primed PCR. For 38 of these alleles, the results of visual assessment were consistent with triplet repeat primed PCR. Conclusions Read pileup plots generated by REViewer offer an intuitive way to visualize sequencing data in regions containing long repeat expansions. Laboratories can use REViewer to assess the quality of repeat genotype calls as well as to visually detect interruptions or other imperfections in the repeat sequence and the surrounding flanking regions.

SUMMARY Regulation of gene expression in mammalian cells depends on long-range chromatin interactions between enhancers and promoters. Currently, the exact mechanisms that connect distal enhancers to their specific target promoters remain to be fully elucidated. Here we show that the histone H3 Lysine 4 monomethylation (H3K4me1) writer proteins MLL3 and MLL4 (MLL3/4) play an active role in this process. We demonstrate that in differentiating mouse embryonic stem cells, MLL3/4-dependent deposition of H3K4me1 at enhancers correlates with increased levels of chromatin interactions, whereas loss of MLL3/4 leads to greatly reduced frequencies of chromatin interactions and failure of lineage-specific gene expression programs. We further show that H3K4me1 facilitates recruitment of the Cohesin complex to chromatin in vitro and in vivo , providing a potential mechanism for MLL3/4 to promote chromatin looping. Taken together, our results support an active role for MLL3/4 in modulating chromatin organization at enhancers in mammalian cells.

SUMMARY FOXA pioneer transcription factors (TFs) displace nucleosomes and prime chromatin across enhancers of different endodermal organs in multipotent precursors before lineage induction. Here, we examined patterns and mechanisms of FOXA target site engagement using human pluripotent stem cell models of endodermal organ development. Unexpectedly, we find that only a subset of pancreatic, hepatic, and alveolar enhancers are FOXA-primed, whereas the majority are unprimed and engage FOXA only upon lineage induction. Analysis of sequence architecture revealed more abundant and stronger FOXA motifs at primed than unprimed enhancers and enrichment for lineage-specific TF motifs at unprimed enhancers. We show that FOXA recruitment to unprimed enhancers specifically depends on lineage-specific TFs, suggesting that regulatory DNA sequence logic governs temporal FOXA recruitment. Our findings suggest that FOXA-mediated enhancer priming broadly facilitates initiation of organ lineage programs, while secondary FOXA recruitment by lineage-specific TFs to the majority of enhancers confers organ specificity to gene expression.

Abstract While a rich set of putative cis -regulatory sequences involved in mouse fetal development has been annotated recently based on chromatin accessibility and histone modification patterns, delineating their role in developmentally regulated gene expression continues to be challenging. To fill this gap, we mapped chromatin contacts between gene promoters and distal sequences genome-wide in seven mouse fetal tissues, and for one of them, across six developmental stages. We identified 248,620 long-range chromatin interactions centered at 14,138 protein-coding genes and characterized their tissue-to-tissue variations as well as developmental dynamics. Integrative analysis of the interactome with previous epigenome and transcriptome datasets from the same tissues revealed a strong correlation between the chromatin contacts and chromatin state at distal enhancers, as well as gene expression patterns at predicted target genes. We predicted target genes of 15,098 candidate enhancers, and used them to annotate target genes of homologous candidate enhancers in the human genome that harbor risk variants of human diseases. We present evidence that schizophrenia and other adult disease risk variants are frequently found in fetal enhancers, providing support for the hypothesis of fetal origins of adult diseases.

ABSTRACT The 3-dimensional (3D) conformation of chromatin inside the nucleus is integral to a variety of nuclear processes including transcriptional regulation, DNA replication, and DNA damage repair. Aberrations in 3D chromatin conformation have been implicated in developmental abnormalities and cancer. Despite the importance of 3D chromatin conformation to cellular function and human health, little is known about how 3D chromatin conformation varies in the human population, or whether DNA sequence variation between individuals influences 3D chromatin conformation. To address these questions, we performed Hi-C on Lymphoblastoid Cell Lines (LCLs) from 20 individuals. We identified thousands of regions across the genome where 3D chromatin conformation varies between individuals and found that this conformational variation is often accompanied by variation in gene expression, histone modifications, and transcription factor (TF) binding. Moreover, we found that DNA sequence variation influences several features of 3D chromatin conformation including loop strength, contact insulation, contact directionality and density of local cis contacts. We mapped hundreds of Quantitative Trait Loci (QTLs) associated with 3D chromatin features and found evidence that some of these same variants are associated at modest levels with other molecular phenotypes as well as complex disease risk. Our results demonstrate that common DNA sequence variants can influence 3D chromatin conformation, pointing to a more pervasive role for 3D chromatin conformation in human phenotypic variation than previously recognized.

ABSTRACT Beta cells intrinsically contribute to the pathogenesis of type 1 diabetes (T1D), but the genes and molecular processes that mediate beta cell survival in T1D remain largely unknown. We combined high throughput functional genomics and human genetics to identify T1D risk loci regulating genes affecting beta cell survival in response to the proinflammatory cytokines IL-1β, IFNγ, and TNFα. We mapped 38,931 cytokine-responsive candidate cis -regulatory elements (cCREs) active in beta cells using ATAC-seq and single nuclear ATAC-seq (snATAC-seq), and linked cytokine-responsive beta cell cCREs to putative target genes using single cell co-accessibility and HiChIP. We performed a genome-wide pooled CRISPR loss-of-function screen in EndoC-βH1 cells, which identified 867 genes affecting cytokine-induced beta cell loss. Genes that promoted beta cell survival and had up-regulated expression in cytokine exposure were specifically enriched at T1D loci, and these genes were preferentially involved in inhibiting inflammatory response, ubiquitin-mediated proteolysis, mitophagy and autophagy. We identified 2,229 variants in cytokine-responsive beta cell cCREs altering transcription factor (TF) binding using high-throughput SNP-SELEX, and variants altering binding of TF families regulating stress, inflammation and apoptosis were broadly enriched for T1D association. Finally, through integration with genetic fine mapping, we annotated T1D loci regulating beta cell survival in cytokine exposure. At the 16p13 locus, a T1D variant affected TF binding in a cytokine-induced beta cell cCRE that physically interacted with the SOCS1 promoter, and increased SOCS1 activity promoted beta cell survival in cytokine exposure. Together our findings reveal processes and genes acting in beta cells during cytokine exposure that intrinsically modulate risk of T1D.

Motivation: Hi-C experiments have been widely adopted to study chromatin spatial organization, which plays an important role in genome function. Well-established Hi-C readouts include A/B compartments, topologically associating domains (TADs) and chromatin loops. We have recently proposed another readout: frequently interacting regions (FIREs) and discovered them to be informative about tissue-specific gene expression. However, computational tools for detecting FIREs from Hi-C data are still lacking. Results: In this work, we have developed FIREcaller, a stand-alone, user-friendly R package for detecting FIREs from Hi-C data. FIREcaller takes raw Hi-C contact matrix as input, performs within-sample and cross-sample normalization via HiCNormCis and quantile normalization respectively, and outputs continuous FIRE scores, dichotomous FIREs and super-FIREs. Availability and implementation: The FIREcaller package is implemented in R, freely available at https://yunliweb.its.unc.edu/FIREcaller.