Despite an abundance of new studies about topologically associating domains (TADs), the role of genetic information in TAD formation is still not fully understood. Here we use our software, HiCExplorer (hicexplorer.readthedocs.io) to annotate >2800 high-resolution (570 bp) TAD boundaries in Drosophila melanogaster. We identify eight DNA motifs enriched at boundaries, including a motif bound by the M1BP protein, and two new boundary motifs. In contrast to mammals, the CTCF motif is only enriched on a small fraction of boundaries flanking inactive chromatin while most active boundaries contain the motifs bound by the M1BP or Beaf-32 proteins. We demonstrate that boundaries can be accurately predicted using only the motif sequences at open chromatin sites. We propose that DNA sequence guides the genome architecture by allocation of boundary proteins in the genome. Finally, we present an interactive online database to access and explore the spatial organization of fly, mouse and human genomes, available at http://chorogenome.ie-freiburg.mpg.de .

Abstract ChIP-seq probes genome-wide localization of DNA-associated proteins. To mitigate technical biases ChIP-seq read densities are normalized to read densities obtained by a control. Our statistical framework “normR” achieves a sensitive normalization by accounting for the effect of putative protein-bound regions on the overall read statistics. Here, we demonstrate normR’s suitability in three studies: (i) calling enrichment for high (H3K4me3) and low (H3K36me3) signal-to-ratio data; (ii) identifying two previously undescribed H3K27me3 and H3K9me3 heterochromatic regimes of broad and peak enrichment; and (iii) calling differential H3K4me3 or H3K27me3-enrichment between HepG2 hepatocarcinoma cells and primary human Hepatocytes. normR is readily available on http://bioconductor.org/packages/normr

Chromatin immunoprecipitation followed by deep sequencing (ChIP-seq) is an invaluable tool for mapping chromatin-associated proteins. However, sample preparation is still a largely individual and labor-intensive process that hinders assay throughput and comparability. Here, we present a novel method for ultra-parallelized high-throughput ChIP-seq that addresses the aforementioned problems. The method, called RELACS (Restriction Enzyme-based Labeling of Chromatin in Situ), employs barcoding of chromatin within intact nuclei extracted from different sources (e.g. tissues, treatments, time points). Barcoded nuclei are pooled and processed within the same ChIP, for maximal comparability and significant workload reduction. The choice of user-friendly, straightforward, enzymatic steps for chromatin fragmentation and barcoding makes RELACS particularly suitable for implementation large-scale clinical studies and scarce samples. RELACS can generate ChIP-seq libraries from hundreds of samples within three days and with less than 1000 cells per sample.

Genome rearrangements that occur during evolution impose major challenges on regulatory mechanisms that rely on three-dimensional genome architecture. Here, we developed a scaffolding algorithm and generated chromosome-length assemblies from Hi-C data for studying genome topology in three distantly related Drosophila species. We observe extensive genome shuffling between these species with one synteny breakpoint after approximately every six genes. A/B compartments, a set of large gene-dense topologically associating domains (TADs) and spatial contacts between high-affinity sites (HAS) located on the X chromosome are maintained over 40 million years, indicating architectural conservation at various hierarchies. Evolutionary conserved genes cluster in the vicinity of HAS, while HAS locations appear evolutionarily flexible, thus uncoupling functional requirement of dosage compensation from individual positions on the linear X chromosome. Therefore, 3D architecture is preserved even in scenarios of thousands of rearrangements highlighting its relevance for essential processes such as dosage compensation of the X chromosome.

Summary: This paper presents Parkour, a software package for sample processing and quality management of next generation sequencing data and samples. Starting with user requests, Parkour allows tracking and assessing samples based on predefined quality criteria through different stages of the sample preparation workflow. Ideally suited for academic core laboratories, the software aims to maximize efficiency and reduce turnaround time by intelligent sample grouping and a clear assignment of staff to work units. Tools for automated invoicing, interactive statistics on facility usage and simple report generation minimize administrative tasks. Provided as a web application, Parkour is a convenient tool for both deep sequencing service users and laboratory personal. A set of web APIs allow coordinated information sharing with local and remote bioinformaticians. The flexible structure allows workflow customization and simple addition of new features as well as the expansion to other domains. Availability and implementation: The code and documentation are available at https://github.com/maxplanck-ie/parkour Contact: boenisch@ie-freiburg.mpg.de

Chromatin is the physical template that stabilizes and specifies transcriptional programs. To date, it remains largely unclear to what extent chromatin machinery contributes to the susceptibility and progression of complex diseases. Here, we combined deep epigenome mapping with single cell transcriptomics to mine for evidence of chromatin dysregulation in type-2 diabetes. We identify two chromatin-state signatures that track the trajectory of β-cell dysfunction in mice and humans: ectopic activation of bivalent Polycomb-domains and a loss of expression at a subclass of highly active domains containing key lineage-defining genes. β-cell specific deletion of Polycomb (Eed/PRC2) triggers parallel transcriptional signatures. Intriguingly, these β-cell Eed-knockouts also exhibit highly penetrant hyperglycemia-independent dedifferentiation indicating that Polycomb dysregulation sensitizes the β-cell for dedifferentiation. These findings provide novel resources for exploring transcriptional and epigenetic control of β-cell (dys)function. They identify PRC2 as necessary for longterm maintenance of β-cell identity. The data suggest a two-hit model for loss of β-cell identity in diabetes and highlight epigenetic therapeutic potential to block dedifferentiation.

We present the software CRUP (Condition-specific Regulatory Units Prediction) to infer from epigenetic marks a list of regulatory units consisting of dynamically changing enhancers with their target genes. The workflow consists of a novel pre-trained enhancer predictor that can be reliably applied across cell lines and species, solely based on histone modification ChIP-seq data. Enhancers are subsequently assigned to different conditions and correlated with gene expression to derive regulatory units. We thoroughly test and then apply CRUP to a rheumatoid arthritis model, identifying enhancer-gene pairs comprising known disease genes as well as new candidate genes.

During cellular differentiation, the chromatin landscape changes dynamically and contributes to the activation of cell-type specific transcriptional programs. Disruptor of telomeric silencing 1-like (DOT1L) is a histone methyltransferase that mediates mono-, di- and trimethylation of lysine 79 of histone H3 (H3K79me1, 2, 3). Its enzymatic activity is critical for driving cellular differentiation into cardiomyocytes, chondrocytes and neurons, from embryonic or other type of stem cells in physiological settings. Little is known about the causal relevance of DOT1L methyltransferase activity in the global chromatin context and how its enzymatic function affects transcriptional and global chromatin states. Recent reports have suggested that deposition of H3K79me2 may be critical to preserve histone H3K27 acetylation (ac) and enhancer activity, and to sustain expression of highly transcribed genes. If and to what extent DOT1L affects chromatin states and enhancer activity during physiological differentiation processes is currently unknown. Here, we measure global changes of seven histone modifications during the differentiation process via high-throughput and quantitative ChIP-seq in an in-vitro neuronal differentiation model of mouse embryonic stem cells (mESC). We observe that H3K27ac globally decreases, whereas H3K79me2 globally increases during differentiation, while other modifications remain globally unaltered. Pharmacological inhibition of DOT1L in mESC and mESC-derived neural progenitors results in decreased expression of highly transcribed genes and increased expression of normally repressed genes. Acute DOT1L inhibition primes neural progenitors towards a mature differentiation state. Transcriptional downregulation associates with decreased accessibility of enhancers specifically bound by the master regulator SOX2. Our work establishes that DOT1L activity gates differentiation of progenitors by allowing SOX2-dependent transcription of stemness programs.

Eukaryotic chromatin is partitioned into domains called TADs that are broadly conserved between species and virtually identical among cell types within the same species. Previous studies in mammals have shown that the DNA binding protein CTCF and cohesin contribute to a fraction of TAD boundaries. Apart from this, the molecular mechanisms governing this partitioning remain poorly understood. Using our new software, HiCExplorer, we annotated high-resolution (570 bp) TAD boundaries in flies and identified eight DNA motifs enriched at boundaries. Known insulator proteins bind five of these motifs while the remaining three motifs are novel. We find that boundaries are either at core promoters of active genes or at non-promoter regions of inactive chromatin and that these two groups are characterized by different sets of DNA motifs. In contrast to mammals, the CTCF motif is only present on 2% of boundaries in flies. Most boundaries are present at divergent promoters of constitutively expressed genes and the gene expression tends to be coordinated within TADs. We demonstrate that boundaries can be accurately predicted using only the motif sequences, along with open chromatin, suggesting that DNA sequence encodes the 3D genome architecture in flies. Finally, we present an interactive online database to access and explore the spatial organization of fly, mouse and human genomes, available at http://chorogeome.ie-freiburg.mpg.de.

Chromatin immunoprecipitation followed by sequencing (ChIP-seq) is a method used to profile protein-DNA interactions genome-wide. RELACS (Restriction Enzyme-based Labeling of Chromatin in Situ) is a recently developed ChIP-seq protocol that deploys a chromatin barcoding strategy to enable standardized and high-throughput generation of ChIP-seq data. The manual implementation of RELACS is constrained by human processivity in both data generation and data analysis. To overcome these limitations, we have developed AutoRELACS, an automated implementation of the RELACS protocol using the liquid handler Biomek i7 workstation. We match the unprecedented processivity in data generation allowed by AutoRELACS with the automated computation pipelines offered by snakePipes. In doing so, we build a continuous workflow that streamlines epigenetic profiling, from sample collection to biological interpretation. Here, we show that AutoRELACS successfully automates chromatin barcode integration, and is able to generate high-quality ChIP-seq data comparable with the standards of the manual protocol, also for limited amounts of biological samples.