Abstract Zebrafish, a popular model for embryonic development and for modelling human diseases, has so far lacked a systematic functional annotation programme akin to those in other animal models. To address this, we formed the international DANIO-CODE consortium and created the first central repository to store and process zebrafish developmental functional genomic data. Our Data Coordination Center ( https://danio-code.zfin.org ) combines a total of 1,802 sets of unpublished and reanalysed published genomics data, which we used to improve existing annotations and show its utility in experimental design. We identified over 140,000 cis-regulatory elements in development, including novel classes with distinct features dependent on their activity in time and space. We delineated the distinction between regulatory elements active during zygotic genome activation and those active during organogenesis, identifying new aspects of how they relate to each other. Finally, we matched regulatory elements and epigenomic landscapes between zebrafish and mouse and predict functional relationships between them beyond sequence similarity, extending the utility of zebrafish developmental genomics to mammals.

Unravelling how gene regulatory networks are remodelled during evolution is crucial to understand how species adapt to environmental changes. We addressed this question for X-chromosome inactivation, a process essential to female development that is governed, in eutherians, by the XIST lncRNA and its cis-regulators. To reach high resolution, we studied closely related primate species, spanning 55 million years of evolution. We show that the XIST regulatory circuitry has diversified extensively over such an evolutionary timeframe. The insertion of a HERVK transposon has reshuffled XIST 3D interaction network in macaque embryonic stem cells (ESC) and XIST expression is maintained by the additive effects of the JPX lncRNA gene and a macaque specific enhancer. In contrast, JPX is the main contributor to XIST expression in human ESCs but is not significantly involved in XIST regulation in marmoset ESCs. None of these entities are however under purifying selection, which suggests that neutrally evolving non-coding elements harbour high adaptive potentials.

Although thousands of genomic regions have been associated with heritable human diseases, attempts to elucidate biological mechanisms are impeded by a general inability to discern which genomic positions are functionally important. Evolutionary constraint is a powerful predictor of function that is agnostic to cell type or disease mechanism. Here, single base phyloP scores from the whole genome alignment of 240 placental mammals identified 3.5% of the human genome as significantly constrained, and likely functional. We compared these scores to large-scale genome annotation, genome-wide association studies (GWAS), copy number variation, clinical genetics findings, and cancer data sets. Evolutionarily constrained positions are enriched for variants explaining common disease heritability (more than any other functional annotation). Our results improve variant annotation but also highlight that the regulatory landscape of the human genome still needs to be further explored and linked to disease.