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.

SUMMARY Adenovirus E1A early proteins modify host cell physiology to optimize virus replication. The N-terminal half of small e1a interacts with RB-family proteins to de-repress dNTP and DNA synthesis, and with p300/CBP to inhibit host anti-viral innate immune responses. These e1a N-terminal interactions activate a strong, late host anti-viral response due to stabilization and activation of interferon response factor 3 (IRF3). However, the C-terminal half of e1a inhibits this through interactions with three host proteins with seemingly unrelated functions. Proteomic analysis showed that all three C-terminal interactions are required for e1a-association into an ∼1 MDa multi-protein complex with scaffold subunits of a CRL4 E3 ubiquitin ligase and DCAF10, a presumed specificity subunit. This e1a-DCAF10-CRL4 prevents IRF3 stabilization indirectly by directing degradation of the essential AAA+ ATPases RUVBL1/2, subunits of several HSP90 co-chaperones required for quaternary assembly of cellular protein machines required for anti-viral defenses and responses to genotoxic and metabolic stress.

3D organization of the genome plays a critical role in regulating gene expression. However, it remains unclear how chromatin organization differs among different cell types in the brain. Here we used genome-scale DNA and RNA imaging to investigate 3D-genome organization in transcriptionally distinct cell types in the primary motor cortex of the mouse brain. We uncovered a wide spectrum of differences in the nuclear architecture and 3D-genome organization among different cell types, ranging from the physical size of the cell nucleus to the active-inactive chromatin compartmentalization and radial positioning of chromatin loci within the nucleus. These cell-type-dependent variations in nuclear architecture and chromatin organization exhibited strong correlation with both total transcriptional activity of the cell and transcriptional regulation of cell-type-specific marker genes. Moreover, we found that the methylated-DNA-binding protein MeCP2 regulates transcription in a divergent manner, depending on the nuclear radial positions of chromatin loci, through modulating active-inactive chromatin compartmentalization.

Glioblastoma (GBM) is the deadliest adult brain cancer and all patients ultimately succumb to the disease. Radiation therapy (RT) provides survival benefit of 6 months over surgery alone but these results have not improved in decades. We report that radiation induces a glioma-initiating cell phenotype and we have identified trifluoperazine (TFP) as a compound that interferes with this phenotype conversion. TFP caused loss of radiation-induced Nanog mRNA expression, activation of GSK3 with consecutive post-translational reduction in p-Akt, Sox2 and β-catenin protein levels. TFP did not alter the intrinsic radiation sensitivity of glioma-initiating cells (GICs). Continuous treatment with TFP and a single dose of radiation reduced the number of GICs in vivo and prolonged survival in syngeneic and patient-derived orthotopic xenograft (PDOX) mouse models of GBM. Our findings suggest that combination of a dopamine receptor antagonist with radiation enhances the efficacy of RT in GBM by preventing radiation-induced phenotype conversion of radiosensitive non-GICs into treatment resistant, induced GICs.Significance GBM is the most common and most deadly adult brain cancer. The current standard-of-care is surgery followed by RT and temozolomide, which results in a median survival time of only 15 months. The efficacy of chemotherapies and targeted therapies in GBM is very limited because most of these drugs do not pass the blood-brain-barrier. Ultimately, all patients succumb to the disease. Our study describes radiation-induced cellular plasticity as a novel resistance mechanism in GBM. We identified a dopamine receptor antagonist as a readily available, FDA-approved drug known to penetrate the blood-brain-barrier which prevents phenotype conversion of glioma cells into glioma-initiating cells and prologs survival in mouse models of GBM, thus suggesting that it will improve the efficacy of RT without increasing toxicity.

Single-cell omics technologies have ushered in a new era for the study of dynamic gene regulation in complex tissues during development and disease pathogenesis. A major computational challenge in analyzing these datasets is to project the large-scale and high dimensional data into low-dimensional space while retaining the relative relationships between cells in order to decompose the cellular heterogeneity and reconstruct cell-type-specific gene regulatory programs. Conventional dimensionality reduction methods suffer from computational inefficiency, difficulty to capture the full spectrum of cellular heterogeneity, or inability to apply across diverse molecular modalities. Here, we report a fast and nonlinear dimensionality reduction algorithm that not only more accurately captures the heterogeneities of single-cell omics data, but also features runtime and memory usage that is computational efficient and linearly proportional to cell numbers. We implement this algorithm in a Python package named SnapATAC2, and demonstrate its superior performance, remarkable scalability and general adaptability using an array of single-cell omics data types, including single-cell ATAC-seq, single-cell RNA-seq, single-cell Hi-C, and single-cell multiomics datasets.

Abstract Alu retrotransposons, which form the largest family of mobile DNA elements in the human genome, have recently come to attention as a potential source of regulatory novelties, most notably by participating in enhancer function. Even though Alu transcription by RNA polymerase III is subjected to tight epigenetic silencing, their expression has long been known to increase in response to various types of stress, including viral infection. Here we show that, in primary human fibroblasts, adenovirus small e1a triggered derepression of hundreds of individual Alus by promoting TFIIIB recruitment by Alu-bound TFIIIC. Epigenome profiling revealed an e1a-induced decrease of H3K27 acetylation and increase of H3K4 monomethylation at derepressed Alus, making them resemble poised enhancers. The enhancer nature of e1a-targeted Alus was confirmed by the enrichment, in their upstream regions, of the EP300/CBP acetyltransferase, EP400 chromatin remodeler and YAP1 and FOS transcription factors. The physical interaction of e1a with EP400 was critical for Alu derepression, which was abrogated upon EP400 ablation. Our data suggest that e1a targets a subset of enhancer Alus whose transcriptional activation, which requires EP400 and is mediated by the e1a-EP400 interaction, may participate in the manipulation of enhancer activity by adenoviruses.

Identifying cell type-specific enhancers in the brain is critical to building genetic tools for investigating the mammalian brain. Computational methods for functional enhancer prediction have been proposed and validated in the fruit fly and not yet the mammalian brain. We organized the 'Brain Initiative Cell Census Network (BICCN) Challenge: Predicting Functional Cell Type-Specific Enhancers from Cross-Species Multi-Omics' to assess machine learning and feature-based methods designed to nominate enhancer DNA sequences to target cell types in the mouse cortex. Methods were evaluated based on

Sequence divergence of cis- regulatory elements drives species-specific traits, but how this manifests in the evolution of the neocortex at the molecular and cellular level remains to be elucidated. We investigated the gene regulatory programs in the primary motor cortex of human, macaque, marmoset, and mouse with single-cell multiomics assays, generating gene expression, chromatin accessibility, DNA methylome, and chromosomal conformation profiles from a total of over 180,000 cells. For each modality, we determined species-specific, divergent, and conserved gene expression and epigenetic features at multiple levels. We find that cell type-specific gene expression evolves more rapidly than broadly expressed genes and that epigenetic status at distal candidate cis -regulatory elements (cCREs) evolves faster than promoters. Strikingly, transposable elements (TEs) contribute to nearly 80% of the human-specific cCREs in cortical cells. Through machine learning, we develop sequence-based predictors of cCREs in different species and demonstrate that the genomic regulatory syntax is highly preserved from rodents to primates. Lastly, we show that epigenetic conservation combined with sequence similarity helps uncover functional cis -regulatory elements and enhances our ability to interpret genetic variants contributing to neurological disease and traits.