Chromosomal Mapping The conformation of the genome in the nucleus and contacts between both proximal and distal loci influence gene expression. In order to map genomic contacts, Lieberman-Aiden et al. (p. 289 , see the cover) developed a technique to allow the detection of all interactions between genomic loci in the eukaryotic nucleus followed by deep sequencing. This technology was used to map the organization of the human genome and to examine the spatial proximity of chromosomal loci at one megabase resolution. The map suggests that the genome is partitioned into two spatial compartments that are related to local chromatin state and whose remodeling correlates with changes in the chromatin state.

We describe an approach to detect the frequency of interaction between any two genomic loci. Generation of a matrix of interaction frequencies between sites on the same or different chromosomes reveals their relative spatial disposition and provides information about the physical properties of the chromatin fiber. This methodology can be applied to the spatial organization of entire genomes in organisms from bacteria to human. Using the yeast Saccharomyces cerevisiae , we could confirm known qualitative features of chromosome organization within the nucleus and dynamic changes in that organization during meiosis. We also analyzed yeast chromosome III at the G 1 stage of the cell cycle. We found that chromatin is highly flexible throughout. Furthermore, functionally distinct AT- and GC-rich domains were found to exhibit different conformations, and a population-average 3D model of chromosome III could be determined. Chromosome III emerges as a contorted ring.

High-order chromatin folding in topologically associating domains has a critical role in proper long-range transcriptional control around the Xist locus, and presumably throughout the genome. The spatial organization of the genome is linked to biological function, and advances in genomic technologies are allowing the conformation of chromosomes to be assessed genome wide. Two groups present complementary papers on the subject. Bing Ren and colleagues use Hi-C, an adaption of the chromosome conformation capture (3C) technique, to investigate the three-dimensional organization of the human and mouse genomes in embryonic stem cells and terminally differentiated cell types. Large, megabase-sized chromatin interaction domains, termed topological domains, are found to be a pervasive and conserved feature of genome organization. Edith Heard and colleagues use chromosome conformation capture carbon-copy (5C) technology and high-resolution microscopy to obtain a high-resolution map of the chromosomal interactions over a large region of the mouse X chromosome, including the X-inactivation centre. A series of discrete topologically associating domains is revealed, as is a previously unknown long intergenic RNA with a potential regulatory role. In eukaryotes transcriptional regulation often involves multiple long-range elements and is influenced by the genomic environment1. A prime example of this concerns the mouse X-inactivation centre (Xic), which orchestrates the initiation of X-chromosome inactivation (XCI) by controlling the expression of the non-protein-coding Xist transcript. The extent of Xic sequences required for the proper regulation of Xist remains unknown. Here we use chromosome conformation capture carbon-copy (5C)2 and super-resolution microscopy to analyse the spatial organization of a 4.5-megabases (Mb) region including Xist. We discover a series of discrete 200-kilobase to 1 Mb topologically associating domains (TADs), present both before and after cell differentiation and on the active and inactive X. TADs align with, but do not rely on, several domain-wide features of the epigenome, such as H3K27me3 or H3K9me2 blocks and lamina-associated domains. TADs also align with coordinately regulated gene clusters. Disruption of a TAD boundary causes ectopic chromosomal contacts and long-range transcriptional misregulation. The Xist/Tsix sense/antisense unit illustrates how TADs enable the spatial segregation of oppositely regulated chromosomal neighbourhoods, with the respective promoters of Xist and Tsix lying in adjacent TADs, each containing their known positive regulators. We identify a novel distal regulatory region of Tsix within its TAD, which produces a long intervening RNA, Linx. In addition to uncovering a new principle of cis-regulatory architecture of mammalian chromosomes, our study sets the stage for the full genetic dissection of the X-inactivation centre.

DNase I hypersensitive sites (DHSs) are markers of regulatory DNA and have underpinned the discovery of all classes of cis-regulatory elements including enhancers, promoters, insulators, silencers and locus control regions. Here we present the first extensive map of human DHSs identified through genome-wide profiling in 125 diverse cell and tissue types. We identify ∼2.9 million DHSs that encompass virtually all known experimentally validated cis-regulatory sequences and expose a vast trove of novel elements, most with highly cell-selective regulation. Annotating these elements using ENCODE data reveals novel relationships between chromatin accessibility, transcription, DNA methylation and regulatory factor occupancy patterns. We connect ∼580,000 distal DHSs with their target promoters, revealing systematic pairing of different classes of distal DHSs and specific promoter types. Patterning of chromatin accessibility at many regulatory regions is organized with dozens to hundreds of co-activated elements, and the transcellular DNase I sensitivity pattern at a given region can predict cell-type-specific functional behaviours. The DHS landscape shows signatures of recent functional evolutionary constraint. However, the DHS compartment in pluripotent and immortalized cells exhibits higher mutation rates than that in highly differentiated cells, exposing an unexpected link between chromatin accessibility, proliferative potential and patterns of human variation. An extensive map of human DNase I hypersensitive sites, markers of regulatory DNA, in 125 diverse cell and tissue types is described; integration of this information with other ENCODE-generated data sets identifies new relationships between chromatin accessibility, transcription, DNA methylation and regulatory factor occupancy patterns. This paper describes the first extensive map of human DNaseI hypersensitive sites — markers of regulatory DNA — in 125 diverse cell and tissue types. Integration of this information with other data sets generated by ENCODE (Encyclopedia of DNA Elements) identified new relationships between chromatin accessibility, transcription, DNA methylation and regulatory-factor occupancy patterns. Evolutionary-conservation analysis revealed signatures of recent functional constraint within DNaseI hypersensitive sites.

HiC-Pro is an optimized and flexible pipeline for processing Hi-C data from raw reads to normalized contact maps. HiC-Pro maps reads, detects valid ligation products, performs quality controls and generates intra- and inter-chromosomal contact maps. It includes a fast implementation of the iterative correction method and is based on a memory-efficient data format for Hi-C contact maps. In addition, HiC-Pro can use phased genotype data to build allele-specific contact maps. We applied HiC-Pro to different Hi-C datasets, demonstrating its ability to easily process large data in a reasonable time. Source code and documentation are available at http://github.com/nservant/HiC-Pro .

The genome is extensively transcribed into long intergenic noncoding RNAs (lincRNAs), many of which are implicated in gene silencing. Potential roles of lincRNAs in gene activation are much less understood. Development and homeostasis require coordinate regulation of neighbouring genes through a process termed locus control. Some locus control elements and enhancers transcribe lincRNAs, hinting at possible roles in long-range control. In vertebrates, 39 Hox genes, encoding homeodomain transcription factors critical for positional identity, are clustered in four chromosomal loci; the Hox genes are expressed in nested anterior-posterior and proximal-distal patterns colinear with their genomic position from 3' to 5'of the cluster. Here we identify HOTTIP, a lincRNA transcribed from the 5' tip of the HOXA locus that coordinates the activation of several 5' HOXA genes in vivo. Chromosomal looping brings HOTTIP into close proximity to its target genes. HOTTIP RNA binds the adaptor protein WDR5 directly and targets WDR5/MLL complexes across HOXA, driving histone H3 lysine 4 trimethylation and gene transcription. Induced proximity is necessary and sufficient for HOTTIP RNA activation of its target genes. Thus, by serving as key intermediates that transmit information from higher order chromosomal looping into chromatin modifications, lincRNAs may organize chromatin domains to coordinate long-range gene activation.

Transcription factors control cell-specific gene expression programs through interactions with diverse coactivators and the transcription apparatus. Gene activation may involve DNA loop formation between enhancer-bound transcription factors and the transcription apparatus at the core promoter, but this process is not well understood. Here we report that mediator and cohesin physically and functionally connect the enhancers and core promoters of active genes in murine embryonic stem cells. Mediator, a transcriptional coactivator, forms a complex with cohesin, which can form rings that connect two DNA segments. The cohesin-loading factor Nipbl is associated with mediator-cohesin complexes, providing a means to load cohesin at promoters. DNA looping is observed between the enhancers and promoters occupied by mediator and cohesin. Mediator and cohesin co-occupy different promoters in different cells, thus generating cell-type-specific DNA loops linked to the gene expression program of each cell.

Abstract The human and mouse genomes contain instructions that specify RNAs and proteins and govern the timing, magnitude, and cellular context of their production. To better delineate these elements, phase III of the Encyclopedia of DNA Elements (ENCODE) Project has expanded analysis of the cell and tissue repertoires of RNA transcription, chromatin structure and modification, DNA methylation, chromatin looping, and occupancy by transcription factors and RNA-binding proteins. Here we summarize these efforts, which have produced 5,992 new experimental datasets, including systematic determinations across mouse fetal development. All data are available through the ENCODE data portal ( https://www.encodeproject.org ), including phase II ENCODE 1 and Roadmap Epigenomics 2 data. We have developed a registry of 926,535 human and 339,815 mouse candidate cis -regulatory elements, covering 7.9 and 3.4% of their respective genomes, by integrating selected datatypes associated with gene regulation, and constructed a web-based server (SCREEN; http://screen.encodeproject.org ) to provide flexible, user-defined access to this resource. Collectively, the ENCODE data and registry provide an expansive resource for the scientific community to build a better understanding of the organization and function of the human and mouse genomes.

The molecular mechanisms underlying folding of mammalian chromosomes remain poorly understood. The transcription factor CTCF is a candidate regulator of chromosomal structure. Using the auxin-inducible degron system in mouse embryonic stem cells, we show that CTCF is absolutely and dose-dependently required for looping between CTCF target sites and insulation of topologically associating domains (TADs). Restoring CTCF reinstates proper architecture on altered chromosomes, indicating a powerful instructive function for CTCF in chromatin folding. CTCF remains essential for TAD organization in non-dividing cells. Surprisingly, active and inactive genome compartments remain properly segregated upon CTCF depletion, revealing that compartmentalization of mammalian chromosomes emerges independently of proper insulation of TADs. Furthermore, our data support that CTCF mediates transcriptional insulator function through enhancer blocking but not as a direct barrier to heterochromatin spreading. Beyond defining the functions of CTCF in chromosome folding, these results provide new fundamental insights into the rules governing mammalian genome organization.

The vast non-coding portion of the human genome is full of functional elements and disease-causing regulatory variants. The principles defining the relationships between these elements and distal target genes remain unknown. Promoters and distal elements can engage in looping interactions that have been implicated in gene regulation. Here we have applied chromosome conformation capture carbon copy (5C) to interrogate comprehensively interactions between transcription start sites (TSSs) and distal elements in 1% of the human genome representing the ENCODE pilot project regions. 5C maps were generated for GM12878, K562 and HeLa-S3 cells and results were integrated with data from the ENCODE consortium. In each cell line we discovered >1,000 long-range interactions between promoters and distal sites that include elements resembling enhancers, promoters and CTCF-bound sites. We observed significant correlations between gene expression, promoter-enhancer interactions and the presence of enhancer RNAs. Long-range interactions show marked asymmetry with a bias for interactions with elements located ∼120 kilobases upstream of the TSS. Long-range interactions are often not blocked by sites bound by CTCF and cohesin, indicating that many of these sites do not demarcate physically insulated gene domains. Furthermore, only ∼7% of looping interactions are with the nearest gene, indicating that genomic proximity is not a simple predictor for long-range interactions. Finally, promoters and distal elements are engaged in multiple long-range interactions to form complex networks. Our results start to place genes and regulatory elements in three-dimensional context, revealing their functional relationships.