Abstract Topologically associating domains (TAD) and insulated neighborhoods (INs) have been proposed to constrain enhancer-promoter communications to enable cell-type specific transcription programs, but recent studies show that disruption of TADs and INs resulted in relatively mild changes in gene expression profiles. To better understand the role of chromatin architecture in dynamic enhancer-promoter contacts and lineage-specific gene expression, we have utilized the auxin-inducible degron system to acutely deplete CTCF, a key factor involved in TADs and IN formation, in mouse embryonic stem cells (mESCs) and examined chromatin architecture and gene regulation during neural differentiation. We find that while CTCF depletion leads to global weakening of TAD boundaries and loss of INs, only a minor fraction of enhancer-promoter contacts are lost, affecting a small subset of genes. The CTCF-dependent enhancer-promoter contacts tend to be long-range, spanning hundreds of kilobases, and are established directly by CTCF binding to promoters. Disruption of CTCF binding at the promoter reduces enhancer-promoter contacts and transcription, while artificial tethering of CTCF to the promoter restores the enhancer-promoter contacts and gene activation. Genome-wide analysis of CTCF binding and gene expression across multiple mouse tissues suggests that CTCF-dependent promoter-enhancer contacts may regulate expression of additional mouse genes, particularly those expressed in the brain. Our results uncover both CTCF-dependent and independent enhancer-promoter contacts, and highlight a distinct role for CTCF in promoting enhancer-promoter contacts and gene activation in addition to its insulator function.

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 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 Primary hepatocytes are widely used in the pharmaceutical industry to screen drug candidates for hepatotoxicity, but isolated hepatocytes quickly dedifferentiate and lose their mature metabolic function in culture. Attempts have been made to better recapitulate the in vivo liver environment in culture, but the full spectrum of signals required to maintain hepatocyte function in vitro remains elusive. Here we studied the dedifferentiation process in detail through RNA-sequencing of hepatocytes cultured over eight days. We identified three distinct phases of dedifferentiation. An early phase, where mature hepatocyte genes are rapidly downregulated in a matter of hours. A middle phase, where fetal genes are activated, leading to hepatocytes with a fetal phenotype. A late phase, where initially rare contaminating non-parenchymal cells over-grow the culture as the hepatocytes gradually die. Using genetically tagged hepatocytes, we demonstrate that the cells reactivating fetal marker alpha-fetoprotein arise from cells previously expressing the mature hepatocyte marker albumin, and not from albumin negative precursor cells, proving that hepatocytes undergo true dedifferentiation. To better understand the signaling events that result in the rapid down-regulation of mature hepatocyte genes, we examined changes in chromatin accessibility of hepatocytes during the first 24h of culture using ATAC-seq. We find that drastic and rapid changes in chromatin accessibility occurs immediately upon start of culture. Using binding motif analysis of the areas of open chromatin sharing similar temporal profiles, we identify several candidate transcription factors potentially involved in the dedifferentiation of primary hepatocytes in culture.

Genetic studies have revealed an essential role for cytosine DNA methylation in mammalian development. However, its spatiotemporal distribution in the developing embryo remains obscure. Here, we profiled the methylome landscapes of 12 mouse tissues/organs at 8 developmental stages spanning from early embryogenesis to birth. In-depth analysis of these spatiotemporal epigenome maps systematically delineated ~2 million methylation variant regions and uncovered widespread methylation dynamics at nearly one-half million tissue-specific enhancers, whose human counterparts were enriched for variants involved in genetic diseases. Strikingly, these predicted regulatory elements predominantly lose CG methylation during fetal development, whereas the trend is reversed after birth. Accumulation of non-CG methylation within gene bodies of key developmental transcription factors coincided with their transcriptional repression during later stages of fetal development. These spatiotemporal epigenomic maps provide a valuable resource for studying gene regulation during mammalian tissue/organ progression and for pinpointing regulatory elements involved in human developmental diseases.

Abstract Gene regulation is highly cell type-specific and understanding the function of non-coding genetic variants associated with complex traits requires molecular phenotyping at cell type resolution. In this study we performed single nucleus ATAC-seq (snATAC-seq) and genotyping in peripheral blood mononuclear cells from 10 individuals. Clustering chromatin accessibility profiles of 66,843 total nuclei identified 14 immune cell types and sub-types. We mapped chromatin accessibility QTLs (caQTLs) in each immune cell type and sub-type which identified 6,248 total caQTLs, including those obscured from assays of bulk tissue such as with divergent effects on different cell types. For 3,379 caQTLs we further annotated putative target genes of variant activity using single cell co-accessibility, and caQTL variants were significantly correlated with the accessibility level of linked gene promoters. We fine-mapped loci associated with 16 complex immune traits and identified immune cell caQTLs at 517 candidate causal variants, including those with cell type-specific effects. At the 6q15 locus associated with type 1 diabetes, in line with previous reports, variant rs72928038 was a naïve CD4+ T cell caQTL linked to BACH2 and we validated the allelic effects of this variant on regulatory activity in Jurkat T cells. These results highlight the utility of snATAC-seq for mapping genetic effects on accessible chromatin in specific cell types and provide a resource for annotating complex immune trait loci.

Hi-C data is commonly normalized using single sample processing methods, with focus on comparisons between regions within a given contact map. Here, we aim to compare contact maps across different samples. We demonstrate that unwanted variation, of likely technical origin, is present in Hi-C data with replicates from different individuals, and that properties of this unwanted variation changes across the contact map. We present BNBC, a method for normalization and batch correction of Hi-C data and show that it substantially improves comparisons across samples.

Translating genome-wide association studies (GWAS) of complex disease into mechanistic insight requires a comprehensive understanding of risk variant effects on disease-relevant cell types. To uncover cell type-specific mechanisms of type 1 diabetes (T1D) risk, we combined genetic association mapping and single cell epigenomics. We performed the largest to-date GWAS of T1D in 489,679 samples imputed into 59.2M variants, which identified 74 novel association signals including several large-effect rare variants. Fine-mapping of 141 total signals substantially improved resolution of causal variant credible sets, which primarily mapped to non-coding sequence. To annotate cell type-specific regulatory mechanisms of T1D risk variants, we mapped 448,142 candidate regulatory elements (cCREs) in pancreas and peripheral blood mononuclear cell types using snATAC-seq of 131,554 nuclei. T1D risk variants were enriched in cCREs active in CD4+ T cells as well as several additional cell types including pancreatic exocrine acinar and ductal cells. High-probability T1D risk variants at multiple signals mapped to exocrine-specific cCREs including novel loci near and . At the locus, the likely causal variant rs7795896 mapped in a ductal-specific distal cCRE which regulated and the risk allele reduced transcription factor binding, enhancer activity and expression in ductal cells. These findings support a role for the exocrine pancreas in T1D pathogenesis and highlight the power of combining large-scale GWAS and single cell epigenomics to provide insight into the cellular origins of complex disease.

Genome-wide analysis of chromatin accessibility in primary tissues has uncovered millions of candidate regulatory sequences in the human and mouse genomes. However, the heterogeneity of biological samples used in previous studies has prevented a precise understanding of the dynamic chromatin landscape in specific cell types. Here, we show that analysis of the transposase-accessible-chromatin in single nuclei isolated from frozen tissue samples can resolve cellular heterogeneity and delineate transcriptional regulatory sequences in the constituent cell types. Our strategy is based on a combinatorial barcoding assisted single cell assay for transposase-accessible chromatin and is optimized for nuclei from flash-frozen primary tissue samples (snATAC-seq). We used this method to examine the mouse forebrain at seven development stages and in adults. From snATAC-seq profiles of more than 15,000 high quality nuclei, we identify 20 distinct cell populations corresponding to major neuronal and non-neuronal cell-types in foetal and adult forebrains. We further define cell-type specific cis regulatory sequences and infer potential master transcriptional regulators of each cell population. Our results demonstrate the feasibility of a general approach for identifying cell-type-specific cis regulatory sequences in heterogeneous tissue samples, and provide a rich resource for understanding forebrain development in mammals.