CTCF and the associated cohesin complex play a central role in insulator function and higher-order chromatin organization of mammalian genomes. Recent studies identified a correlation between the orientation of CTCF-binding sites (CBSs) and chromatin loops. To test the functional significance of this observation, we combined CRISPR/Cas9-based genomic-DNA-fragment editing with chromosome-conformation-capture experiments to show that the location and relative orientations of CBSs determine the specificity of long-range chromatin looping in mammalian genomes, using protocadherin (Pcdh) and β-globin as model genes. Inversion of CBS elements within the Pcdh enhancer reconfigures the topology of chromatin loops between the distal enhancer and target promoters and alters gene-expression patterns. Thus, although enhancers can function in an orientation-independent manner in reporter assays, in the native chromosome context, the orientation of at least some enhancers carrying CBSs can determine both the architecture of topological chromatin domains and enhancer/promoter specificity. These findings reveal how 3D chromosome architecture can be encoded by linear genome sequences.

The incomplete identification of structural variants (SVs) from whole-genome sequencing data limits studies of human genetic diversity and disease association. Here, we apply a suite of long-read, short-read, strand-specific sequencing technologies, optical mapping, and variant discovery algorithms to comprehensively analyze three trios to define the full spectrum of human genetic variation in a haplotype-resolved manner. We identify 818,054 indel variants (<50 bp) and 27,622 SVs (≥50 bp) per genome. We also discover 156 inversions per genome and 58 of the inversions intersect with the critical regions of recurrent microdeletion and microduplication syndromes. Taken together, our SV callsets represent a three to sevenfold increase in SV detection compared to most standard high-throughput sequencing studies, including those from the 1000 Genomes Project. The methods and the dataset presented serve as a gold standard for the scientific community allowing us to make recommendations for maximizing structural variation sensitivity for future genome sequencing studies.

Most variants implicated in common human disease by genome-wide association studies (GWAS) lie in noncoding sequence intervals. Despite the suggestion that regulatory element disruption represents a common theme, identifying causal risk variants within implicated genomic regions remains a major challenge. Here we present a new sequence-based computational method to predict the effect of regulatory variation, using a classifier (gkm-SVM) that encodes cell type-specific regulatory sequence vocabularies. The induced change in the gkm-SVM score, deltaSVM, quantifies the effect of variants. We show that deltaSVM accurately predicts the impact of SNPs on DNase I sensitivity in their native genomic contexts and accurately predicts the results of dense mutagenesis of several enhancers in reporter assays. Previously validated GWAS SNPs yield large deltaSVM scores, and we predict new risk-conferring SNPs for several autoimmune diseases. Thus, deltaSVM provides a powerful computational approach to systematically identify functional regulatory variants.

Analysis of chromatin accessibility can reveal transcriptional regulatory sequences, but heterogeneity of primary tissues poses a significant challenge in mapping the precise chromatin landscape in specific cell types. Here we report single-nucleus ATAC-seq, a combinatorial barcoding-assisted single-cell assay for transposase-accessible chromatin that is optimized for use on flash-frozen primary tissue samples. We apply this technique to the mouse forebrain through eight developmental stages. Through analysis of more than 15,000 nuclei, we identify 20 distinct cell populations corresponding to major neuronal and non-neuronal cell types. We further define cell-type-specific transcriptional regulatory sequences, infer potential master transcriptional regulators and delineate developmental changes in forebrain cellular composition. Our results provide insight into the molecular and cellular dynamics that underlie forebrain development in the mouse and establish technical and analytical frameworks that are broadly applicable to other heterogeneous tissues. This study describes single-nucleus ATAC-seq, a method to profile open chromatin in individual nuclei from frozen tissues. It is used to examine gene regulation in 15,000 nuclei comprising 20 distinct cell types in the developing mouse forebrain.

Abstract The Encyclopedia of DNA Elements (ENCODE) project has established a genomic resource for mammalian development, profiling a diverse panel of mouse tissues at 8 developmental stages from 10.5 days after conception until birth, including transcriptomes, methylomes and chromatin states. Here we systematically examined the state and accessibility of chromatin in the developing mouse fetus. In total we performed 1,128 chromatin immunoprecipitation with sequencing (ChIP–seq) assays for histone modifications and 132 assay for transposase-accessible chromatin using sequencing (ATAC–seq) assays for chromatin accessibility across 72 distinct tissue-stages. We used integrative analysis to develop a unified set of chromatin state annotations, infer the identities of dynamic enhancers and key transcriptional regulators, and characterize the relationship between chromatin state and accessibility during developmental gene regulation. We also leveraged these data to link enhancers to putative target genes and demonstrate tissue-specific enrichments of sequence variants associated with disease in humans. The mouse ENCODE data sets provide a compendium of resources for biomedical researchers and achieve, to our knowledge, the most comprehensive view of chromatin dynamics during mammalian fetal development to date.

Genetic drivers of cancer can be dysregulated through epigenetic modifications of DNA. Although the critical role of DNA 5-methylcytosine (5mC) in the regulation of transcription is recognized, the functions of other non-canonical DNA modifications remain obscure. Here, we report the identification of novel N6-methyladenine (N6-mA) DNA modifications in human tissues and implicate this epigenetic mark in human disease, specifically the highly malignant brain cancer glioblastoma. Glioblastoma markedly upregulated N6-mA levels, which co-localized with heterochromatic histone modifications, predominantly H3K9me3. N6-mA levels were dynamically regulated by the DNA demethylase ALKBH1, depletion of which led to transcriptional silencing of oncogenic pathways through decreasing chromatin accessibility. Targeting the N6-mA regulator ALKBH1 in patient-derived human glioblastoma models inhibited tumor cell proliferation and extended the survival of tumor-bearing mice, supporting this novel DNA modification as a potential therapeutic target for glioblastoma. Collectively, our results uncover a novel epigenetic node in cancer through the DNA modification N6-mA.

Genetic risk variants that have been identified in genome-wide association studies of complex diseases are primarily non-coding1. Translating these risk variants into mechanistic insights requires detailed maps of gene regulation in disease-relevant cell types2. Here we combined two approaches: a genome-wide association study of type 1 diabetes (T1D) using 520,580 samples, and the identification of candidate cis-regulatory elements (cCREs) in pancreas and peripheral blood mononuclear cells using single-nucleus assay for transposase-accessible chromatin with sequencing (snATAC-seq) of 131,554 nuclei. Risk variants for T1D were enriched in cCREs that were active in T cells and other cell types, including acinar and ductal cells of the exocrine pancreas. Risk variants at multiple T1D signals overlapped with exocrine-specific cCREs that were linked to genes with exocrine-specific expression. At the CFTR locus, the T1D risk variant rs7795896 mapped to a ductal-specific cCRE that regulated CFTR; the risk allele reduced transcription factor binding, enhancer activity and CFTR expression in ductal cells. These findings support a role for the exocrine pancreas in the pathogenesis of T1D and highlight the power of large-scale genome-wide association studies and single-cell epigenomics for understanding the cellular origins of complex disease.

ABSTRACT The incomplete identification of structural variants (SVs) from whole-genome sequencing data limits studies of human genetic diversity and disease association. Here, we apply a suite of long-read, short-read, and strand-specific sequencing technologies, optical mapping, and variant discovery algorithms to comprehensively analyze three human parent–child trios to define the full spectrum of human genetic variation in a haplotype-resolved manner. We identify 818,054 indel variants (<50 bp) and 27,622 SVs (≥50 bp) per human genome. We also discover 156 inversions per genome—most of which previously escaped detection. Fifty-eight of the inversions we discovered intersect with the critical regions of recurrent microdeletion and microduplication syndromes. Taken together, our SV callsets represent a sevenfold increase in SV detection compared to most standard high-throughput sequencing studies, including those from the 1000 Genomes Project. The method and the dataset serve as a gold standard for the scientific community and we make specific recommendations for maximizing structural variation sensitivity for future large-scale genome sequencing studies.

ABSTRACT The mammalian cerebrum performs high level sensory, motor control and cognitive functions through highly specialized cortical networks and subcortical nuclei. Recent surveys of mouse and human brains with single cell transcriptomics 1–3 and high-throughput imaging technologies 4,5 have uncovered hundreds of neuronal cell types and a variety of non-neuronal cell types distributed in different brain regions, but the cell-type-specific transcriptional regulatory programs responsible for the unique identity and function of each brain cell type have yet to be elucidated. Here, we probe the accessible chromatin in >800,000 individual nuclei from 45 regions spanning the adult mouse isocortex, olfactory bulb, hippocampus and cerebral nuclei, and use the resulting data to define 491,818 candidate cis regulatory DNA elements in 160 distinct sub-types. We link a significant fraction of them to putative target genes expressed in diverse cerebral cell types and uncover transcriptional regulators involved in a broad spectrum of molecular and cellular pathways in different neuronal and glial cell populations. Our results provide a foundation for comprehensive analysis of gene regulatory programs of the mammalian brain and assist in the interpretation of non-coding risk variants associated with various neurological disease and traits in humans. To facilitate the dissemination of information, we have set up a web portal ( http://catlas.org/mousebrain ).

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.