Two distinct fates, pluripotent epiblast (EPI) and primitive (extra-embryonic) endoderm (PrE), arise from common progenitor cells, the inner cell mass (ICM), in mammalian embryos. To study how these sister identities are forged, we leveraged embryonic (ES) and e

Functional enhancer annotation is critical for understanding tissue-specific transcriptional regulation and prioritizing disease-associated non-coding variants. However, unbiased enhancer discovery in disease-relevant contexts remains challenging. To identify enhancers pertinent to diabetes, we conducted a CRISPR interference (CRISPRi) screen in the human pluripotent stem cell (hPSC) pancreatic differentiation system. Among the enhancers identified, we focused on an enhancer we named ONECUT1e-664kb, ∼664 kb from the ONECUT1 promoter. Previous studies have linked ONECUT1 coding mutations to pancreatic hypoplasia and neonatal diabetes. We found that homozygous deletion of ONECUT1e-664kb in hPSCs leads to a near-complete loss of ONECUT1 expression and impaired pancreatic differentiation. ONECUT1e-664kb contains a type 2 diabetes-associated variant (rs528350911) disrupting a GATA motif. Introducing the risk variant into hPSCs reduced binding of key pancreatic transcription factors (GATA4, GATA6, and FOXA2), supporting its causal role in diabetes. This work highlights the utility of unbiased enhancer discovery in disease-relevant settings for understanding monogenic and complex disease.

ABSTRACT Mammalian embryogenesis commences with two pivotal and binary cell fate decisions that give rise to three essential lineages, the trophectoderm (TE), the epiblast (EPI) and the primitive endoderm (PrE). Although key signaling pathways and transcription factors that control these early embryonic decisions have been identified, the non-coding regulatory elements via which transcriptional regulators enact these fates remain understudied. To address this gap, we have characterized, at a genome-wide scale, enhancer activity and 3D connectivity in embryo-derived stem cell lines that represent each of the early developmental fates. We observed extensive enhancer remodeling and fine-scale 3D chromatin rewiring among the three lineages, which strongly associate with transcriptional changes, although there are distinct groups of genes that are irresponsive to topological changes. In each lineage, a high degree of connectivity or “hubness” positively correlates with levels of gene expression and enriches for cell-type specific and essential genes. Genes within 3D hubs also show a significantly stronger probability of coregulation across lineages, compared to genes in linear proximity or within the same contact domains. By incorporating 3D chromatin features, we build a novel predictive model for transcriptional regulation (3D-HiChAT), which outperformed models that use only 1D promoter or proximal variables in predicting levels and cell-type specificity of gene expression. Using 3D-HiChAT, we performed genome-wide in silico perturbations to nominate candidate functional enhancers and hubs in each cell lineage, and with CRISPRi experiments we validated several novel enhancers that control expression of one or more genes in their respective lineages. Our study comprehensively identifies 3D regulatory hubs associated with the earliest mammalian lineages and describes their relationship to gene expression and cell identity, providing a framework to understand lineage-specific transcriptional behaviors. HIGHLIGHTS - Cell lines representing early embryonic lineages undergo drastic enhancer remodeling and fine-scale 3D chromatin reorganization - Highly interacting 3D hubs strongly enrich for highly expressed, cell-type specific and essential genes - 3D chromatin features greatly improve prediction of cell-type specific gene expression compared to 1D promoter features - In silico and experimental perturbations identify novel enhancers regulating the expression of two or more genes in early embryonic lineages

Abstract Comprehensive enhancer discovery is challenging because most enhancers, especially those affected in complex diseases, have weak effects on gene expression. Our network modeling revealed that nonlinear enhancer-gene regulation during cell state transitions can be leveraged to improve the sensitivity of enhancer discovery. Utilizing hESC definitive endoderm differentiation as a dynamic transition system, we conducted a mid-transition CRISPRi-based enhancer screen. The screen discovered a comprehensive set of enhancers (4 to 9 per locus) for each of the core endoderm lineage-specifying transcription factors, and many enhancers had strong effects mid-transition but weak effects post-transition. Through integrating enhancer activity measurements and three-dimensional enhancer-promoter interaction information, we were able to develop a CTCF loop-constrained Interaction Activity (CIA) model that can better predict functional enhancers compared to models that rely on Hi-C-based enhancer-promoter contact frequency. Our study provides generalizable strategies for sensitive and more comprehensive enhancer discovery in both normal and pathological cell state transitions.

The mechanisms underlying the ability of embryonic stem cells (ESCs) to rapidly activate lineage-specific genes during differentiation remain largely unknown. Through multiple CRISPR-activation screens, we discovered human ESCs have pre-established transcriptionally competent chromatin regions (CCRs) that support lineage-specific gene expression at levels comparable to differentiated cells. CCRs reside in the same topological domains as their target genes. They lack typical enhancer-associated histone modifications but show enriched occupancy of pluripotent transcription factors, DNA demethylation factors, and histone deacetylases. TET1 and QSER1 protect CCRs from excessive DNA methylation, while HDAC1 family members prevent premature activation. This "push and pull" feature resembles bivalent domains at developmental gene promoters but involves distinct molecular mechanisms. Our study provides new insights into pluripotency regulation and cellular plasticity in development and disease.We report a class of distal regulatory regions distinct from enhancers that confer human embryonic stem cells with the competence to rapidly activate the expression of lineage-specific genes.

Functional enhancer annotation is a valuable first step for understanding tissue-specific transcriptional regulation and prioritizing disease-associated non-coding variants for investigation. However, unbiased enhancer discovery in physiologically relevant contexts remains a major challenge. To discover regulatory elements pertinent to diabetes, we conducted a CRISPR interference screen in the human pluripotent stem cell (hPSC) pancreatic differentiation system. Among the enhancers uncovered, we focused on a long-range enhancer ∼664 kb from the

Cell fate transitions are accompanied by global transcriptional, epigenetic and topological changes driven by transcription factors (TFs), as is strikingly exemplified by reprogramming somatic cells to pluripotent stem cells (PSCs) via expression of OCT4, KLF4, SOX2 and cMYC. How TFs orchestrate the complex molecular changes around their target gene loci in a temporal manner remains incompletely understood. Here, using KLF4 as a paradigm, we provide the first TF-centric view of chromatin reorganization and its association to 3D enhancer rewiring and transcriptional changes of linked genes during reprogramming of mouse embryonic fibroblasts (MEFs) to PSCs. Inducible depletion of KLF factors in PSCs caused a genome-wide decrease in the connectivity of enhancers, while disruption of individual KLF4 binding sites from PSC-specific enhancers was sufficient to impair enhancer-promoter contacts and reduce expression of associated genes. Our study provides an integrative view of the complex activities of a lineage-specifying TF during a controlled cell fate transition and offers novel insights into the order and nature of molecular events that follow TF binding.