The deep population history of East Asia remains poorly understood due to a lack of ancient DNA data and sparse sampling of present-day people. We report genome-wide data from 191 individuals from Mongolia, northern China, Taiwan, the Amur River Basin and Japan dating to 6000 BCE – 1000 CE, many from contexts never previously analyzed with ancient DNA. We also report 383 present-day individuals from 46 groups mostly from the Tibetan Plateau and southern China. We document how 6000-3600 BCE people of Mongolia and the Amur River Basin were from populations that expanded over Northeast Asia, likely dispersing the ancestors of Mongolic and Tungusic languages. In a time transect of 89 Mongolians, we reveal how Yamnaya steppe pastoralist spread from the west by 3300-2900 BCE in association with the Afanasievo culture, although we also document a boy buried in an Afanasievo barrow with ancestry entirely from local Mongolian hunter-gatherers, representing a unique case of someone of entirely non-Yamnaya ancestry interred in this way. The second spread of Yamnaya-derived ancestry came via groups that harbored about a third of their ancestry from European farmers, which nearly completely displaced unmixed Yamnaya-related lineages in Mongolia in the second millennium BCE, but did not replace Afanasievo lineages in western China where Afanasievo ancestry persisted, plausibly acting as the source of the early-splitting Tocharian branch of Indo-European languages. Analyzing 20 Yellow River Basin farmers dating to ∼3000 BCE, we document a population that was a plausible vector for the spread of Sino-Tibetan languages both to the Tibetan Plateau and to the central plain where they mixed with southern agriculturalists to form the ancestors of Han Chinese. We show that the individuals in a time transect of 52 ancient Taiwan individuals spanning at least 1400 BCE to 600 CE were consistent with being nearly direct descendants of Yangtze Valley first farmers who likely spread Austronesian, Tai-Kadai and Austroasiatic languages across Southeast and South Asia and mixing with the people they encountered, contributing to a four-fold reduction of genetic differentiation during the emergence of complex societies. We finally report data from Jomon hunter-gatherers from Japan who harbored one of the earliest splitting branches of East Eurasian variation, and show an affinity among Jomon, Amur River Basin, ancient Taiwan, and Austronesian-speakers, as expected for ancestry if they all had contributions from a Late Pleistocene coastal route migration to East Asia.

Abstract Insulators play a critical role in spatiotemporal gene expression in metazoans by separating active and repressive chromatin domains and preventing inappropriate enhancer-promoter contacts. The evolutionarily conserved CCCTC-binding factor (CTCF) is required for insulator function in mammals, but not all of its binding sites act as insulators. Here, we explore the sequence requirements of CTCF-mediated transcriptional insulation with the use of a sensitive insulator reporter assay in mouse embryonic stem cells. We find that insulation potency depends on the number of CTCF binding sites in tandem. Furthermore, CTCF-mediated insulation is dependent on DNA sequences flanking its core binding motifs, and CTCF binding sites at topologically associating domain(TAD) boundaries are more likely to function as insulators than those outside TAD boundaries, independent of binding strength. Using chromosomal conformation capture assays and high-resolution chromatin imaging techniques, we demonstrate that insulators form local chromatin domain boundaries and reduce enhancer-promoter contacts. Taken together, our results provide strong genetic, molecular, and structural evidence connecting chromatin topology to the action of insulators in the mammalian genome.

ABSTRACT Southern China is the birthplace of rice-cultivating agriculture, different language families, and human migrations that facilitated these cultural diffusions. The fine-scale demographic history in situ , however, remains unclear. To comprehensively cover the genetic diversity in East and Southeast Asia, we generated genome-wide SNP data from 211 present-day Southern Chinese and co-analyzed them with more than 1,200 ancient and modern genomes. We discover that the previously described ‘Southern East Asian’ or ‘Yangtze River Farmer’ lineage is monophyletic but not homogeneous, comprising four regionally differentiated sub-ancestries. These ancestries are respectively responsible for the transmission of Austronesian, Kra-Dai, Hmong-Mien, and Austroasiatic languages and their original homelands successively distributed from East to West in Southern China. Multiple phylogenetic analyses support that the earliest living branching among East Asian-related populations is First Americans (∼27,700 BP), followed by the pre-LGM differentiation between Northern and Southern East Asians (∼23,400 BP) and the pre-Neolithic split between Coastal and Inland Southern East Asians (∼16,400 BP). In North China, distinct coastal and inland routes of south-to-north gene flow had established by the Holocene, and further migration and admixture formed the genetic profile of Sinitic speakers by ∼4,000 BP. Four subsequent massive migrations finalized the complete genetic structure of present-day Southern Chinese. First, a southward Sinitic migration and the admixture with Kra-Dai speakers formed the ‘Sinitic Cline’. Second, a bi-directional admixture between Hmong-Mien and Kra-Dai speakers gave rise to the ‘Hmong-Mien Cline’ in the interior of South China between ∼2,000 and ∼1,000 BP. Third, a southwestward migration of Kra-Dai speakers in recent ∼2,000 years impacted the genetic profile for the majority of Mainland Southeast Asians. Finally, an admixture between Tibeto-Burman incomers and indigenous Austroasiatic speakers formed the Tibeto-Burman speakers in Southeast Asia by ∼2,000 BP.

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 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.

Summary Topologically associating domain (TAD) boundaries are thought to partition the genome into distinct regulatory territories. Anecdotal evidence suggests that their disruption may interfere with normal gene expression and cause disease phenotype 1–3 , but the overall extent to which this occurs remains unknown. Here we show that TAD boundary deletions commonly disrupt normal genome function in vivo . We used CRISPR genome editing in mice to individually delete eight TAD boundaries (11-80kb in size) from the genome in mice. All deletions examined resulted in at least one detectable molecular or organismal phenotype, which included altered chromatin interactions or gene expression, reduced viability, and anatomical phenotypes. For 5 of 8 (62%) loci examined, boundary deletions were associated with increased embryonic lethality or other developmental phenotypes. For example, a TAD boundary deletion near Smad3/Smad6 caused complete embryonic lethality, while a deletion near Tbx5/Lhx5 resulted in a severe lung malformation. Our findings demonstrate the importance of TAD boundary sequences for in vivo genome function and suggest that noncoding deletions affecting TAD boundaries should be carefully considered for potential pathogenicity in clinical genetics screening.

Abstract The interphase genome is dynamically organized in the nucleus and decorated with chromatin-associated RNA (caRNA). It remains unclear whether the genome architecture modulates the spatial distribution of caRNA and vice versa. Here, we generate a resource of genome-wide RNA-DNA and DNA-DNA contact maps in human cells. These maps reveal the chromosomal domains demarcated by locally transcribed RNA, hereafter termed RNA-defined chromosomal domains. Further, the spreading of caRNA is constrained by the boundaries of topologically associating domains (TADs), demonstrating the role of the 3D genome structure in modulating the spatial distribution of RNA. Conversely, stopping transcription or acute depletion of RNA induces thousands of chromatin loops genome-wide. Activation or suppression of the transcription of specific genes suppresses or creates chromatin loops straddling these genes. Deletion of a specific caRNA-producing genomic sequence promotes chromatin loops that straddle the interchromosomal target sequences of this caRNA. These data suggest a feedback loop where the 3D genome modulates the spatial distribution of RNA, which in turn affects the dynamic 3D genome organization.

SUMMARY MLL3 (KMT2C) and MLL4 (KMT2D), the major mono-methyltransferases of histone H3 lysine 4 (H3K4), are required for cellular differentiation and embryonic development in mammals. We previously observed that MLL3/4 promote long-range chromatin interactions at enhancers, however, it is still unclear how their catalytic activities contribute to enhancer-dependent gene activation in mammalian cell differentiation. To address this question, we mapped histone modifications, long-range chromatin contacts as well as gene expression in MLL3/4 catalytically deficient mouse embryonic stem (ES) cells undergoing differentiation toward neural precursor cells. We showed that MLL3/4 activities are responsible for deposition of H3K4me1 modification and formation of long-range enhancer-promoter contacts at a majority of putative enhancers gained during cell differentiation, but are dispensable for most candidate enhancers found in undifferentiated ES cells that persist through differentiation. While transcriptional induction at most genes is unaltered in the MLL3/4 catalytically deficient cells, genes making more contacts with MLL3/4-dependent putative enhancers are disproportionately affected. These results support that MLL3/4 contributes to cellular differentiation through histone-methyltransferase-activity dependent induction of enhancer-promoter contacts and transcriptional activation at a subset of lineage-specific genes.

ABSTRACT The population history of Southeast China remains poorly understood due to the sparse sampling of present-day populations and far less modeling with ancient genomic data. We here newly reported genome-wide genotyping data from 207 present-day Han Chinese and Hmong-Mien-speaking She people from Fujian and Taiwan, southeast China. We co-analyzed with 66 early-Neolithic to Iron-Age ancient Fujian and Taiwan individuals obtained from literature to explore the genetic continuity and admixture based on the genetic variations of high-resolution time transect. We found the genetic differentiation between northern and southern East Asians defined by a north-south East Asian genetic cline and the studied southern East Asians were clustered in the southern end of this cline. We also found that southeastern coastal continental modern East Asians harbored the genetic differentiation with other southern Tai-Kadai, Hmong-Mien, Austronesian and Austroasiatic speakers, as well as geographically close Neolithic-to-Iron Age populations, but relatedly close to post-Neolithic Yellow River ancients, which suggested the influence of southward gene flow on the modern southern coastal gene pool. Besides, we also identified one new Hmong-Mien genetic cline in East Asia with the coastal Fujian She localizing at the intersection position between Hmong-Mien and Han clines in the principal component analysis. She people show stronger genetic affinity with southern East Asian indigenous populations with the main ancestry deriving from Hanben-related populations. The southeastern Han Chinese could be modeled with the primary ancestry deriving from the group related to the Yellow River Basin millet farmers and the remaining from groups related to southeastern ancient indigenous rice farmers, which was consistent with the northern China origin of modern southeastern Han Chinese and in line with the historically and archaeologically attested southward migrations of Han people and their ancestors. Interestingly, f 4 -statistics and three-way admixture model results showed both coastal ancient sources related to Austronesian speakers and inland ancient sources related to Austroasiatic speakers complexed the modern observed fine-scale genetic structure here. Our estimated north-south admixture time ranges based on the decay of the linkage disequilibrium spanned from the Bronze age to historic periods, suggesting the recent large-scale population migrations and subsequent admixture participated in the formation of modern Han in Southeast Asia.

Abstract Southern China was a region with mixed rice-millet farming during the Middle Neolithic period and also suggested to be the homeland of Tai-Kadai-speaking (TK) people. The archaeological evidence of animal and plant domestication has demonstrated that southern Chinese rice agriculturalists dispersed from the Yangtze River basin with the dissemination of TK, Austroasiatic (AA), Austronesian (AN) and Hmong-Mien (HM) languages. However, the formations of the inland TK-speaking people, central/southern Han Chinese and their relationships with Neolithic farmers from the Yangtze and Yellow Rivers (YR) basins are far from clear due to the limited sampling of South China. Here, we revealed the spatiotemporal demographic history of southern China by analyzing newly generated genome-wide data of 70 southeastern mainland TK speakers including Dong, Gelao and Bouyei and 45 southwestern Han Chinese together with comprehensive modern/ancient reference datasets. Southwest Han Chinese and Gelao demonstrated a closer genomic affinity to Neolithic YR farmers, while inland TKs (Dong and Bouyei) demonstrated a closer genomic affinity to coastal TK/AN-speaking islanders and Neolithic Yangtze farmers and their descendants. The shared genetic drift between inland TK/AN speaker highlighted a common origin of AN/TK groups, which may be descended from Tanshishan people or their predecessors (Xitoucun). Additionally, we found that inland TK/Sinitic could be modelled as an admixture of ancestral northern East Asian (ANEA) and ancestral southern East Asian (ASEA) sources with different proportions, in which the ANEA was phylogenetically closer to Neolithic millet farmers deriving from the YR Basin and the ASEA was phylogenetically closer to Coastal Neolithic-to-modern southern East Asians. Finally, we discovered genetic differentiation among TK people from southern China and Southeast Asia and obvious substructures between northern and southern inland Chinese TK people. The observed patterns of the spatiotemporal distribution of the northern and southern East Asian lineages in Central/southern China were also compatible with the scenario of bi-directional gene flow events from ANEA and ASEA. Conclusively, multiple lines of genomic evidence indicated millet farmers deriving from the YR basin and rice farmers deriving from the Yangtze River basin substantially contributed to the present-day mainland TK speakers and Central/southern Han Chinese, and formed the modern dual genetic admixture profile.