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.

Regulatory factor binding to genomic DNA protects the underlying sequence from cleavage by DNase I, leaving nucleotide-resolution footprints. Using genomic DNase I footprinting across 41 diverse cell and tissue types, we detected 45 million transcription factor occupancy events within regulatory regions, representing differential binding to 8.4 million distinct short sequence elements. Here we show that this small genomic sequence compartment, roughly twice the size of the exome, encodes an expansive repertoire of conserved recognition sequences for DNA-binding proteins that nearly doubles the size of the human cis–regulatory lexicon. We find that genetic variants affecting allelic chromatin states are concentrated in footprints, and that these elements are preferentially sheltered from DNA methylation. High-resolution DNase I cleavage patterns mirror nucleotide-level evolutionary conservation and track the crystallographic topography of protein–DNA interfaces, indicating that transcription factor structure has been evolutionarily imprinted on the human genome sequence. We identify a stereotyped 50-base-pair footprint that precisely defines the site of transcript origination within thousands of human promoters. Finally, we describe a large collection of novel regulatory factor recognition motifs that are highly conserved in both sequence and function, and exhibit cell-selective occupancy patterns that closely parallel major regulators of development, differentiation and pluripotency. DNase I footprinting in 41 cell and tissue types reveals millions of short sequence elements encoding an expansive repertoire of conserved recognition sequences for DNA-binding proteins. DNaseI footprinting detects DNA sequences that are protected from cleavage by DNaseI because they are bound by regulatory factors. Studying these footprints in 41 diverse cell and tissue types, the authors describe millions of short sequence elements that are conserved recognition sequences for DNA-binding proteins. The effort nearly doubles the size of the human cis-regulatory lexicon and provides insight into chromatin states and levels of evolutionary conservation. A large collection of novel regulatory-factor recognition motifs that closely parallel major regulators of development, differentiation and pluripotency is also described.

The combinatorial cross-regulation of hundreds of sequence-specific transcription factors (TFs) defines a regulatory network that underlies cellular identity and function. Here we use genome-wide maps of in vivo DNaseI footprints to assemble an extensive core human regulatory network comprising connections among 475 sequence-specific TFs and to analyze the dynamics of these connections across 41 diverse cell and tissue types. We find that human TF networks are highly cell selective and are driven by cohorts of factors that include regulators with previously unrecognized roles in control of cellular identity. Moreover, we identify many widely expressed factors that impact transcriptional regulatory networks in a cell-selective manner. Strikingly, in spite of their inherent diversity, all cell-type regulatory networks independently converge on a common architecture that closely resembles the topology of living neuronal networks. Together, our results provide an extensive description of the circuitry, dynamics, and organizing principles of the human TF regulatory network.

Cellular-state information between generations of developing cells may be propagated via regulatory regions. We report consistent patterns of gain and loss of DNase I-hypersensitive sites (DHSs) as cells progress from embryonic stem cells (ESCs) to terminal fates. DHS patterns alone convey rich information about cell fate and lineage relationships distinct from information conveyed by gene expression. Developing cells share a proportion of their DHS landscapes with ESCs; that proportion decreases continuously in each cell type as differentiation progresses, providing a quantitative benchmark of developmental maturity. Developmentally stable DHSs densely encode binding sites for transcription factors involved in autoregulatory feedback circuits. In contrast to normal cells, cancer cells extensively reactivate silenced ESC DHSs and those from developmental programs external to the cell lineage from which the malignancy derives. Our results point to changes in regulatory DNA landscapes as quantitative indicators of cell-fate transitions, lineage relationships, and dysfunction.

Genomes contain both a genetic code specifying amino acids and a regulatory code specifying transcription factor (TF) recognition sequences. We used genomic deoxyribonuclease I footprinting to map nucleotide resolution TF occupancy across the human exome in 81 diverse cell types. We found that ~15% of human codons are dual-use codons ("duons") that simultaneously specify both amino acids and TF recognition sites. Duons are highly conserved and have shaped protein evolution, and TF-imposed constraint appears to be a major driver of codon usage bias. Conversely, the regulatory code has been selectively depleted of TFs that recognize stop codons. More than 17% of single-nucleotide variants within duons directly alter TF binding. Pervasive dual encoding of amino acid and regulatory information appears to be a fundamental feature of genome evolution.

Our understanding of gene regulation in plants is constrained by our limited knowledge of plant cis-regulatory DNA and its dynamics. We mapped DNase I hypersensitive sites (DHSs) in A. thaliana seedlings and used genomic footprinting to delineate ∼700,000 sites of in vivo transcription factor (TF) occupancy at nucleotide resolution. We show that variation associated with 72 diverse quantitative phenotypes localizes within DHSs. TF footprints encode an extensive cis-regulatory lexicon subject to recent evolutionary pressures, and widespread TF binding within exons may have shaped codon usage patterns. The architecture of A. thaliana TF regulatory networks is strikingly similar to that of animals in spite of diverged regulatory repertoires. We analyzed regulatory landscape dynamics during heat shock and photomorphogenesis, disclosing thousands of environmentally sensitive elements and enabling mapping of key TF regulatory circuits underlying these fundamental responses. Our results provide an extensive resource for the study of A. thaliana gene regulation and functional biology.

Abstract Cellular metabolism relies on the regulation and maintenance of mitochondrial DNA (mtDNA). Hundreds to thousands of copies of mtDNA exist in each cell, yet because mitochondria lack histones or other machinery important for nuclear genome compaction, it remains unresolved how mtDNA is packaged into individual nucleoids. In this study, we used long-read single-molecule accessibility mapping to measure the compaction of individual full-length mtDNA molecules at nucleotide resolution. We found that, unlike the nuclear genome, human mtDNA largely undergoes all-or-none global compaction, with the majority of nucleoids existing in an inaccessible, inactive state. Highly accessible mitochondrial nucleoids are co-occupied by transcription and replication machinery and selectively form a triple-stranded D-loop structure. In addition, we showed that the primary nucleoid-associated protein TFAM directly modulates the fraction of inaccessible nucleoids both in vivo and in vitro and acts via a nucleation-and-spreading mechanism to coat and compact mitochondrial nucleoids. Together, these findings reveal the primary architecture of mtDNA packaging and regulation in human cells.

ABSTRACT The detection of low-abundance DNA N 6 -methyladenine (DNA-m6A) remains challenging, limiting our understanding of this novel base in eukaryotes. To address this, we introduce an approach for systematically validating the selectivity and sensitivity of antibody-based DNA-m6A methods, revealing most commercial antibodies as poorly selective towards DNA-m6A. Finally, using a validated highly selective anti-DNA-m6A antibody we expose distinct patterns of DNA-m6A in C. reinhardtii , A. thaliana , and D. melanogaster .

During eukaryotic transcription, RNA polymerases must initiate and pause within a crowded, complex environment, surrounded by nucleosomes and other transcriptional activity. This environment creates a spatial arrangement along individual chromatin fibers ripe for both competition and coordination, yet these relationships remain largely unknown owing to the inherent limitations of traditional structural and sequencing methodologies. To address these limitations, we employed long-read chromatin fiber sequencing (Fiber-seq) to visualize RNA polymerases within their native chromatin context at single-molecule and near single-nucleotide resolution along up to 30 kb fibers. We demonstrate that Fiber-seq enables the identification of single-molecule RNA Polymerase (Pol) II and III transcription associated footprints, which, in aggregate, mirror bulk short-read sequencing-based measurements of transcription. We show that Pol II pausing destabilizes downstream nucleosomes, with frequently paused genes maintaining a short-term memory of these destabilized nucleosomes. Furthermore, we demonstrate pervasive direct coordination and anti-coordination between nearby Pol II genes, Pol III genes, transcribed enhancers, and insulator elements. This coordination is largely limited to spatially organized elements within 5 kb of each other, implicating short-range chromatin environments as a predominant determinant of coordinated polymerase initiation. Overall, transcription initiation reshapes surrounding nucleosome architecture and coordinates nearby transcriptional machinery along individual chromatin fibers.