The reference human genome sequence set the stage for studies of genetic variation and its association with human disease, but epigenomic studies lack a similar reference. To address this need, the NIH Roadmap Epigenomics Consortium generated the largest collection so far of human epigenomes for primary cells and tissues. Here we describe the integrative analysis of 111 reference human epigenomes generated as part of the programme, profiled for histone modification patterns, DNA accessibility, DNA methylation and RNA expression. We establish global maps of regulatory elements, define regulatory modules of coordinated activity, and their likely activators and repressors. We show that disease- and trait-associated genetic variants are enriched in tissue-specific epigenomic marks, revealing biologically relevant cell types for diverse human traits, and providing a resource for interpreting the molecular basis of human disease. Our results demonstrate the central role of epigenomic information for understanding gene regulation, cellular differentiation and human disease.

Genomewide association studies can be used to identify disease-relevant genomic regions, but interpretation of the data is challenging. The FTO region harbors the strongest genetic association with obesity, yet the mechanistic basis of this association remains elusive.

The three-dimensional organization of chromosomes within the nucleus and its dynamics during differentiation are largely unknown. To visualize this process in molecular detail, we generated high-resolution maps of genome-nuclear lamina interactions during subsequent differentiation of mouse embryonic stem cells via lineage-committed neural precursor cells into terminally differentiated astrocytes. This reveals that a basal chromosome architecture present in embryonic stem cells is cumulatively altered at hundreds of sites during lineage commitment and subsequent terminal differentiation. This remodeling involves both individual transcription units and multigene regions and affects many genes that determine cellular identity. Often, genes that move away from the lamina are concomitantly activated; many others, however, remain inactive yet become unlocked for activation in a next differentiation step. These results suggest that lamina-genome interactions are widely involved in the control of gene expression programs during lineage commitment and terminal differentiation.

In metazoans, the nuclear lamina is thought to play an important role in the spatial organization of interphase chromosomes, by providing anchoring sites for large genomic segments named lamina-associated domains (LADs). Some of these LADs are cell-type specific, while many others appear constitutively associated with the lamina. Constitutive LADs (cLADs) may contribute to a basal chromosome architecture. By comparison of mouse and human lamina interaction maps, we find that the sizes and genomic positions of cLADs are strongly conserved. Moreover, cLADs are depleted of synteny breakpoints, pointing to evolutionary selective pressure to keep cLADs intact. Paradoxically, the overall sequence conservation is low for cLADs. Instead, cLADs are universally characterized by long stretches of DNA of high A/T content. Cell-type specific LADs also tend to adhere to this “A/T rule” in embryonic stem cells, but not in differentiated cells. This suggests that the A/T rule represents a default positioning mechanism that is locally overruled during lineage commitment. Analysis of paralogs suggests that during evolution changes in A/T content have driven the relocation of genes to and from the nuclear lamina, in tight association with changes in expression level. Taken together, these results reveal that the spatial organization of mammalian genomes is highly conserved and tightly linked to local nucleotide composition.

Abstract Annotating the molecular basis of human disease remains an unsolved challenge, as 93% of disease loci are non-coding and gene-regulatory annotations are highly incomplete 1–3 . Here we present EpiMap, a compendium comprising 10,000 epigenomic maps across 800 samples, which we used to define chromatin states, high-resolution enhancers, enhancer modules, upstream regulators and downstream target genes. We used this resource to annotate 30,000 genetic loci that were associated with 540 traits 4 , predicting trait-relevant tissues, putative causal nucleotide variants in enriched tissue enhancers and candidate tissue-specific target genes for each. We partitioned multifactorial traits into tissue-specific contributing factors with distinct functional enrichments and disease comorbidity patterns, and revealed both single-factor monotropic and multifactor pleiotropic loci. Top-scoring loci frequently had multiple predicted driver variants, converging through multiple enhancers with a common target gene, multiple genes in common tissues, or multiple genes and multiple tissues, indicating extensive pleiotropy. Our results demonstrate the importance of dense, rich, high-resolution epigenomic annotations for the investigation of complex traits.

Highlights•A method for parallel monitoring of thousands of reporters integrated in the genome•Genome-wide landscape of chromatin position effects in mouse embryonic stem cells•Attenuation of transcriptional activity in lamina-associated domains•• Enhancers and transcription units influence gene expression generally over ∼20 kbSummaryReporter genes integrated into the genome are a powerful tool to reveal effects of regulatory elements and local chromatin context on gene expression. However, so far such reporter assays have been of low throughput. Here, we describe a multiplexing approach for the parallel monitoring of transcriptional activity of thousands of randomly integrated reporters. More than 27,000 distinct reporter integrations in mouse embryonic stem cells, obtained with two different promoters, show ∼1,000-fold variation in expression levels. Data analysis indicates that lamina-associated domains act as attenuators of transcription, likely by reducing access of transcription factors to binding sites. Furthermore, chromatin compaction is predictive of reporter activity. We also found evidence for crosstalk between neighboring genes and estimate that enhancers can influence gene expression on average over ∼20 kb. The multiplexed reporter assay is highly flexible in design and can be modified to query a wide range of aspects of gene regulation.Graphical abstract

Abstract Combinatorial binding of transcription factors to regulatory DNA underpins gene regulation in all organisms. Genetic variation in regulatory regions has been connected with diseases and diverse phenotypic traits 1 , but it remains challenging to distinguish variants that affect regulatory function 2 . Genomic DNase I footprinting enables the quantitative, nucleotide-resolution delineation of sites of transcription factor occupancy within native chromatin 3–6 . However, only a small fraction of such sites have been precisely resolved on the human genome sequence 6 . Here, to enable comprehensive mapping of transcription factor footprints, we produced high-density DNase I cleavage maps from 243 human cell and tissue types and states and integrated these data to delineate about 4.5 million compact genomic elements that encode transcription factor occupancy at nucleotide resolution. We map the fine-scale structure within about 1.6 million DNase I-hypersensitive sites and show that the overwhelming majority are populated by well-spaced sites of single transcription factor–DNA interaction. Cell-context-dependent cis -regulation is chiefly executed by wholesale modulation of accessibility at regulatory DNA rather than by differential transcription factor occupancy within accessible elements. We also show that the enrichment of genetic variants associated with diseases or phenotypic traits in regulatory regions 1,7 is almost entirely attributable to variants within footprints, and that functional variants that affect transcription factor occupancy are nearly evenly partitioned between loss- and gain-of-function alleles. Unexpectedly, we find increased density of human genetic variation within transcription factor footprints, revealing an unappreciated driver of cis -regulatory evolution. Our results provide a framework for both global and nucleotide-precision analyses of gene regulatory mechanisms and functional genetic variation.

DNase I hypersensitive sites (DHSs) are generic markers of regulatory DNA

Abstract To help elucidate genetic variants underlying complex traits, we develop EpiMap, a compendium of 833 reference epigenomes across 18 uniformly-processed and computationally-completed assays. We define chromatin states, high-resolution enhancers, activity patterns, enhancer modules, upstream regulators, and downstream target gene functions. We annotate 30,247 genetic variants associated with 534 traits, recognize principal and partner tissues underlying each trait, infer trait-tissue, tissue-tissue and trait-trait relationships, and partition multifactorial traits into their tissue-specific contributing factors. Our results demonstrate the importance of dense, rich, and high-resolution epigenomic annotations for complex trait dissection, and yield numerous new insights for understanding the molecular basis of human disease.