Abstract In the post-GWAS era, there is an unmet need to decode the underpinning genetic etiologies of late-onset Alzheimer’s disease (LOAD) and translate the associations to causation. Toward that goal, we conducted ATAC-seq profiling using neuronal nuclear protein (NeuN) sorted-nuclei from 40 frozen brain tissues to determine LOAD-specific changes in chromatin accessibility landscape in a cell-type specific manner. We identified 211 LOAD-specific differential chromatin accessibility sites in neuronal-nuclei, four of which overlapped with LOAD-GWAS regions (±100kb of SNP). While the non-neuronal nuclei did not show LOAD-specific differences, stratification by sex identified 842 LOAD-specific chromatin accessibility sites in females. Seven of these sex-dependent sites in the non-neuronal samples overlapped LOAD-GWAS regions including APOE . LOAD loci were functionally validated using single-nuclei RNA-seq datasets. In conclusion, using brain sorted-nuclei enabled the identification of sex-dependent cell type-specific LOAD alterations in chromatin structure. These findings enhance the interpretation of LOAD-GWAS discoveries, provide potential pathomechanisms, and suggest novel LOAD-loci. Furthermore, our results convey mechanistic insights into sex differences in LOAD risk and clinicopathology. GRAPHICAL ABSTRACT

Schizophrenia genome-wide association (GWA) studies have identified over 150 regions of the genome that are associated with disease risk, yet there is little evidence that coding mutations contribute to this disorder. To explore the mechanism of non-coding regulatory elements in schizophrenia, we performed ATAC-seq on adult prefrontal cortex brain samples from 135 individuals with schizophrenia and 137 controls, and identified 118,152 ATAC-seq peaks. These accessible chromatin regions in brain are highly enriched for SNP-heritability for schizophrenia (10.6 fold enrichment, P=2.4x10-4, second only to genomic regions conserved in Eutherian mammals) and replicated in an independent dataset (9.0 fold enrichment, P=2.7x10-4). This degree of enrichment of schizophrenia heritability was higher than in open chromatin found in 138 different cell and tissue types. Brain open chromatin regions that overlapped highly conserved regions exhibited an even higher degree of heritability enrichment, indicating that conservation can identify functional subsets within regulatory elements active in brain. However, we did not identify chromatin accessibility differences between schizophrenia cases and controls, nor did we find an interaction of chromatin QTLs with case-control status. This indicates that although causal variants map within regulatory elements, mechanisms other than differential chromatin may govern the contribution of regulatory element variation to schizophrenia risk. Our results strongly implicate gene regulatory processes involving open chromatin in the pathogenesis of schizophrenia, and suggest a strategy to understand the hundreds of common variants emerging from large genomic studies of complex brain diseases.

Genome-wide association studies (GWAS) have identified over 100 risk loci for schizophrenia, but the causal mechanisms remain largely unknown. We performed a transcriptome-wide association study (TWAS) integrating expression data from brain, blood, and adipose tissues across 3,693 individuals with schizophrenia GWAS of 79,845 individuals from the Psychiatric Genomics Consortium. We identified 157 genes with a transcriptome-wide significant association, of which 35 did not overlap a known GWAS locus; the largest number involved alternative splicing in brain. 42/157 genes were also associated to specific chromatin phenotypes measured in 121 independent samples (a 4-fold enrichment over background genes). This high-throughput connection of GWAS findings to specific genes, tissues, and regulatory mechanisms is an essential step toward understanding the biology of schizophrenia and moving towards therapeutic interventions.

Gene transcription profiles across tissues are largely defined by the activity of regulatory elements, most of which correspond to regions of accessible chromatin. Regulatory element activity is in turn modulated by genetic variation, resulting in variable transcription rates across individuals. The interplay of these factors, however, is poorly understood. Here we characterize expression and chromatin state dynamics across three tissues—liver, lung, and kidney—in 47 strains of the Collaborative Cross (CC) mouse population, examining the regulation of these dynamics by expression quantitative trait loci (eQTL) and chromatin QTL (cQTL). QTL whose allelic effects were consistent across tissues were detected for 1,101 genes and 133 chromatin regions. Also detected were eQTL and cQTL whose allelic effects differed across tissues, including local-eQTL for Pik3c2g detected in all three tissues but with distinct allelic effects. Leveraging overlapping measurements of gene expression and chromatin accessibility on the same mice from multiple tissues, we used mediation analysis to identify chromatin and gene expression intermediates of eQTL effects. Based on QTL and mediation analyses over multiple tissues, we propose a causal model for the distal genetic regulation of Akr1e1 , a gene involved in glycogen metabolism, through the zinc finger transcription factor Zfp985 and chromatin intermediates. This analysis demonstrates the complexity of transcriptional and chromatin dynamics and their regulation over multiple tissues, as well as the value of the CC and related genetic resource populations for identifying specific regulatory mechanisms within cells and tissues.Author summary Genetic variation can drive alterations in gene expression levels and chromatin accessibility, the latter of which defines gene regulatory elements genome-wide. The same genetic variants may associate with both molecular events, and these may be connected within the same causal path: a variant that reduces promoter region chromatin accessibility, potentially by affecting transcription factor binding, may lead to reduced expression of that gene. Moreover, these causal regulatory paths can differ between tissues depending on functions and cellular activity specific to each tissue. We identify cross-tissue and tissue-selective genetic regulators of gene expression and chromatin accessibility in liver, lung, and kidney tissues using a panel of genetically diverse inbred mouse strains. Further, we identify a number of candidate causal mediators of the genetic regulation of gene expression, including a zinc finger protein that helps silence the Akr1e1 gene. Our analyses are consistent with chromatin accessibility playing a role in the regulation of transcription. Our study demonstrates the power of genetically diverse, multi-parental mouse populations, such as the Collaborative Cross, for large-scale studies of genetic drivers of gene regulation that underlie complex phenotypes, as well as identifying causal intermediates that drive variable activity of specific genes and pathways.

Abstract Changes in transcriptional regulation are thought to be a major contributor to the evolution of phenotypic traits, but the contribution of changes in chromatin accessibility to the evolution of gene expression remains almost entirely unknown. To address this important gap in knowledge, we developed a new method to identify DNase I Hypersensitive (DHS) sites with differential chromatin accessibility between species using a joint modeling approach. Our method overcomes several limitations inherent to conventional threshold-based pairwise comparisons that become increasingly apparent as the number of species analyzed rises. Our approach employs a single quantitative test which is more sensitive than existing pairwise methods. To illustrate, we applied our joint approach to DHS sites in fibroblast cells from five primates (human, chimpanzee, gorilla, orangutan, and rhesus macaque). We identified 89,744 DHS sites, of which 41% are identified as differential between species using the joint model compared with 33% using the conventional pairwise approach. The joint model provides a principled approach to distinguishing single from multiple chromatin accessibility changes among species. We found that non differential DHS sites are enriched for nucleotide conservation. Differential DHS sites with decreased chromatin accessibility relative to rhesus macaque occur more commonly near transcription start sites (TSS), while those with increased chromatin accessibility occur more commonly distal to TSS. Further, differential DHS sites near TSS are less cell type-specific than more distal regulatory elements. Taken together, these results point to distinct classes of DHS sites, each with distinct characteristics of selection, genomic location, and cell type specificity.

ABSTRACT The epicardium is a mesothelial tissue layer that envelops the heart. Cardiac injury activates dynamic gene expression programs in epicardial tissue, which in the case of zebrafish enables subsequent regeneration through paracrine and vascularizing effects. To identify tissue regeneration enhancer elements (TREEs) that control injury-induced epicardial gene expression during heart regeneration, we profiled transcriptomes and chromatin accessibility in epicardial cells purified from regenerating zebrafish hearts. We identified hundreds of candidate TREEs, defined by increased chromatin accessibility of non-coding elements near genes with increased expression during regeneration. Several of these candidate TREEs were incorporated into stable transgenic lines, with 5 of 6 elements directing injury-induced epicardial expression but not ontogenetic epicardial expression in hearts of larval animals. Whereas two independent TREEs linked to the gene gnai3 showed similar functional features of gene regulation in transgenic lines, two independent ncam1a -linked TREEs directed distinct spatiotemporal domains of epicardial gene expression. Thus, multiple TREEs linked to a regeneration gene can possess either matching or complementary regulatory controls. Our study provides a new resource and principles for understanding the regulation of epicardial genetic programs during heart regeneration.

Humans carry a much larger percentage of body fat than other primates. Despite the central role of adipose tissue in metabolism, little is known about the evolution of white adipose tissue in primates. Phenotypic divergence is often caused by genetic divergence in cis-regulatory regions. We examined the cis-regulatory landscape of fat during human origins by performing comparative analyses of chromatin accessibility in human and chimpanzee adipose tissue using macaque as an outgroup. We find that many cis-regulatory regions that are specifically closed in humans are under positive selection, located near genes involved with lipid metabolism, and contain a short sequence motif involved in the beigeing of fat, the process in which white adipocytes are transdifferentiated into beige adipocytes. While the primary role of white adipocytes is to store lipids, beige adipocytes are thermogeneic. The collective closing of many putative regulatory regions associated with beiging of fat suggests an adaptive mechanism that increases body fat in humans.