To broaden our understanding of the evolution of gene regulation mechanisms, we generated occupancy profiles for 34 orthologous transcription factors (TFs) in human–mouse erythroid progenitor, lymphoblast and embryonic stem-cell lines. By combining the genome-wide transcription factor occupancy repertoires, associated epigenetic signals, and co-association patterns, here we deduce several evolutionary principles of gene regulatory features operating since the mouse and human lineages diverged. The genomic distribution profiles, primary binding motifs, chromatin states, and DNA methylation preferences are well conserved for TF-occupied sequences. However, the extent to which orthologous DNA segments are bound by orthologous TFs varies both among TFs and with genomic location: binding at promoters is more highly conserved than binding at distal elements. Notably, occupancy-conserved TF-occupied sequences tend to be pleiotropic; they function in several tissues and also co-associate with many TFs. Single nucleotide variants at sites with potential regulatory functions are enriched in occupancy-conserved TF-occupied sequences. As part of the mouse ENCODE project, genome-wide transcription factor (TF) occupancy repertoires and co-association patterns in mice and humans are studied; many aspects are conserved but the extent to which orthologous DNA segments are bound by TFs in mice and humans varies both among TFs and genomic location, and TF-occupied sequences whose occupancy is conserved tend to be pleiotropic and enriched for single nucleotide variants with known regulatory potential. As part of the mouse ENCODE project Mike Snyder and colleagues studied the genome-wide transcription factor (TF) occupancy repertoires, associated epigenetic signals, and TF co-association patterns in mice and humans to broaden our understanding of the evolution of gene regulation mechanisms in mammals. The results indicate that although many aspects of TF occupied sequences are conserved in both species, the extent to which orthologous DNA segments are bound by orthologous TFs in human and mouse varies both among TFs and with genomic location. Importantly, TF occupied sequences with conserved occupancy tend to be pleiotropic; they are also enriched for single nucleotide variants (SNVs) that are known to have regulatory potential or are associated with known phenotypes.

Abstract Remote enhancers are thought to interact with their target promoters via physical proximity, yet the importance of this proximity for enhancer function remains unclear. Although some enhancer–promoter loops are cell-type-specific, others are stable across tissues or even display reduced physical proximity upon activation. A major challenge is that relatively few enhancers are functionally characterized in vivo , making it difficult to draw generalized conclusions about enhancer–promoter looping during developmental gene activation. Here, we investigate the 3D conformation of enhancers during mammalian development by generating high-resolution tissue-resolved contact maps for nearly a thousand mammalian enhancers with known in vivo activities in ten murine embryonic tissues. We performed enhancer knockouts in mice, which validated newly identified enhancer–promoter chromatin interactions. The majority of enhancers display tissue-specific 3D conformations, and both enhancer–promoter and enhancer–enhancer interactions are significantly stronger upon enhancer activation in vivo . Less than 14% of enhancer–promoter interactions form stably across tissues; however, corresponding enhancers still display highly-tissue-specific activities indicating that their activity is uncoupled from a chromatin interaction with promoters. We find that these invariant interactions form in the absence of the enhancer and are mediated by adjacent CTCF binding. We also identified putative in vivo target genes for enhancers linked to congenital malformations, neurodevelopmental disorders, and autism, demonstrating the utility of our dataset for understanding human congenital disorders. Our results highlight the general significance of enhancer–promoter physical proximity for developmental gene activation in mammals.

Summary Topologically associating domain (TAD) boundaries are thought to partition the genome into distinct regulatory territories. Anecdotal evidence suggests that their disruption may interfere with normal gene expression and cause disease phenotype 1–3 , but the overall extent to which this occurs remains unknown. Here we show that TAD boundary deletions commonly disrupt normal genome function in vivo . We used CRISPR genome editing in mice to individually delete eight TAD boundaries (11-80kb in size) from the genome in mice. All deletions examined resulted in at least one detectable molecular or organismal phenotype, which included altered chromatin interactions or gene expression, reduced viability, and anatomical phenotypes. For 5 of 8 (62%) loci examined, boundary deletions were associated with increased embryonic lethality or other developmental phenotypes. For example, a TAD boundary deletion near Smad3/Smad6 caused complete embryonic lethality, while a deletion near Tbx5/Lhx5 resulted in a severe lung malformation. Our findings demonstrate the importance of TAD boundary sequences for in vivo genome function and suggest that noncoding deletions affecting TAD boundaries should be carefully considered for potential pathogenicity in clinical genetics screening.

Abstract Mouse models are a critical tool for studying human diseases, particularly developmental disorders 1 . However, conventional approaches for phenotyping may fail to detect subtle defects throughout the developing mouse 2 . Here we set out to establish single-cell RNA sequencing of the whole embryo as a scalable platform for the systematic phenotyping of mouse genetic models. We applied combinatorial indexing-based single-cell RNA sequencing 3 to profile 101 embryos of 22 mutant and 4 wild-type genotypes at embryonic day 13.5, altogether profiling more than 1.6 million nuclei. The 22 mutants represent a range of anticipated phenotypic severities, from established multisystem disorders to deletions of individual regulatory regions 4,5 . We developed and applied several analytical frameworks for detecting differences in composition and/or gene expression across 52 cell types or trajectories. Some mutants exhibit changes in dozens of trajectories whereas others exhibit changes in only a few cell types. We also identify differences between widely used wild-type strains, compare phenotyping of gain- versus loss-of-function mutants and characterize deletions of topological associating domain boundaries. Notably, some changes are shared among mutants, suggesting that developmental pleiotropy might be ‘decomposable’ through further scaling of this approach. Overall, our findings show how single-cell profiling of whole embryos can enable the systematic molecular and cellular phenotypic characterization of mouse mutants with unprecedented breadth and resolution.

Abstract Complex morphological traits are the product of many genes with transient or lasting developmental effects that interact in anatomical context. Mouse models are a key resource for disentangling such effects, because they offer myriad tools for manipulating the genome in a controlled environment. Unfortunately, phenotypic data are often obtained using laboratory-specific protocols, resulting in self-contained datasets that are difficult to relate to one another for larger scale analyses. To enable meta-analyses of morphological variation, particularly in the craniofacial complex and brain, we created MusMorph, a database of standardized mouse morphology data spanning numerous genotypes and developmental stages, including E10.5, E11.5, E14.5, E15.5, E18.5, and adulthood. To standardize data collection, we implemented an atlas-based phenotyping pipeline that combines techniques from image registration, deep learning, and morphometrics. Alongside stage-specific atlases, we provide aligned micro-computed tomography images, dense anatomical landmarks, and segmentations (if available) for each specimen ( N =10,056). Our workflow is open-source to encourage transparency and reproducible data collection. The MusMorph data and scripts are available on FaceBase ( www.facebase.org , doi.org/10.25550/3-HXMC) and GitHub ( https://github.com/jaydevine/MusMorph ).

ABSTRACT Gene deserts are defined as genomic regions devoid of protein coding genes and spanning more than 500 kilobases, collectively encompassing about 25% of the human genome. Approximately 30% of all gene deserts are enriched for conserved elements with cis -regulatory signatures. These are located predominantly near developmental transcription factors (TFs) but despite predicted critical functions, the transcriptional contributions and biological necessity of most gene deserts remain elusive. Here, we explore the cis -regulatory impact of a gene desert flanking the Shox2 gene, a TF indispensable for proximal limb, craniofacial and cardiac pacemaker development. Using a functional genomics approach in mouse embryos we identify the gene desert as a hub for numerous Shox2 -overlapping enhancers arranged in a globular chromatin domain with tissue-specific features. In accordance, using endogenous CRISPR deletion, we demonstrate that the gene desert interval is essential for Shox2 transcriptional control in developing limbs, craniofacial compartments, and the heart. Phenotypically, gene desert ablation leads to pacemaker-related embryonic lethality due to Shox2 depletion in the cardiac sinus venosus. We show that this role is partially mediated through a distal gene desert enhancer, providing evidence for intra-gene desert regulatory robustness. Finally, we uncover a multi-layered functional role of the gene desert by revealing an additional requirement for stylopod morphogenesis, mediated through an array of proximal limb enhancers (PLEs). In summary, our study establishes the Shox2 gene desert as a fundamental genomic unit that controls pleiotropic gene expression through modular arrangement and coordinated dynamics of tissue-specific enhancers.

ABSTRACT Changes in gene expression represent an important source for phenotypical innovation. Yet, how such changes emerge and impact the evolution of traits remains elusive. Here, we explore the molecular mechanisms associated with the development of masculinizing ovotestes in female moles. By performing comparative analyses of epigenetic and transcriptional data in mole and mouse, we identified SALL1 as a co-opted gene for the formation of testicular tissue in mole ovotestes. Chromosome conformation capture analyses highlight a striking conservation of the 3D organization at the SALL1 locus, but a prominent evolutionary turnover of enhancer elements. Interspecies reporter assays support the capability of mole-specific enhancers to activate transcription in urogenital tissues. Through overexpression experiments in transgenic mice, we further demonstrate the capability of SALL1 to induce the ectopic gene expression programs that are a signature of mole ovotestes. Our results highlight the co-option of gene expression, through changes in enhancer activity, as a prominent mechanism for the evolution of traits.

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.

Abstract In mammalian embryogenesis differential gene expression gradually builds the identity and complexity of each tissue and organ system. We systematically quantified mouse polyA-RNA from embryo day E10.5 to birth, sampling 17 whole tissues, enhanced with single-cell measurements for the developing limb. The resulting developmental transcriptome is globally structured by dynamic cytodifferentiation, body-axis and cell-proliferation gene sets, characterized by their promoters’ transcription factor (TF) motif codes. We decomposed the tissue-level transcriptome using scRNA-seq and found that neurogenesis and haematopoiesis dominate at both the gene and cellular levels, jointly accounting for 1/3 of differential gene expression and over 40% of identified cell types. Integrating promoter sequence motifs with companion ENCODE epigenomic profiles identified a promoter de-repression mechanism unique to neuronal expression clusters and attributable to known and novel repressors. Focusing on the developing limb, scRNA-seq identified 25 known and candidate novel cell types, including progenitor and differentiating states with computationally inferred lineage relationships. We extracted cell type TF networks and complementary sets of candidate enhancer elements by de-convolving whole-tissue IDEAS epigenome chromatin state models. These ENCODE reference data, computed network components and IDEAS chromatin segmentations, are companion resources to the matching epigenomic developmental matrix, available for researchers to further mine and integrate.

The genetic basis of craniofacial birth defects and general variation in human facial shape remains poorly understood. Distant-acting transcriptional enhancers are a major category of non-coding genome function and have been shown to control the fine-tuned spatiotemporal expression of genes during critical stages of craniofacial development1-3. However, a lack of accurate maps of the genomic location and cell type-specific in vivo activities of all craniofacial enhancers prevents their systematic exploration in human genetics studies. Here, we combined histone modification and chromatin accessibility profiling from different stages of human craniofacial development with single-cell analyses of the developing mouse face to create a comprehensive catalogue of the regulatory landscape of facial development at tissue- and single cell-resolution. In total, we identified approximately 14,000 enhancers across seven developmental stages from weeks 4 through 8 of human embryonic face development. We used transgenic mouse reporter assays to determine the in vivo activity patterns of human face enhancers predicted from these data. Across 16 in vivo validated human enhancers, we observed a rich diversity of craniofacial subregions in which these enhancers are active in vivo. To annotate the cell type specificities of human-mouse conserved enhancers, we performed single-cell RNA-seq and single-nucleus ATAC-seq of mouse craniofacial tissues from embryonic days e11.5 to e15.5. By integrating these data across species, we find that the majority (56%) of human craniofacial enhancers are functionally conserved in mice, providing cell type- and embryonic stage-resolved predictions of their in vivo activity profiles. Using retrospective analysis of known craniofacial enhancers in combination with single cell-resolved transgenic reporter assays, we demonstrate the utility of these data for predicting the in vivo cell type specificity of enhancers. Taken together, our data provide an expansive resource for genetic and developmental studies of human craniofacial development.