Chromatin immunoprecipitation (ChIP) followed by high-throughput DNA sequencing (ChIP-seq) has become a valuable and widely used approach for mapping the genomic location of transcription-factor binding and histone modifications in living cells. Despite its widespread use, there are considerable differences in how these experiments are conducted, how the results are scored and evaluated for quality, and how the data and metadata are archived for public use. These practices affect the quality and utility of any global ChIP experiment. Through our experience in performing ChIP-seq experiments, the ENCODE and modENCODE consortia have developed a set of working standards and guidelines for ChIP experiments that are updated routinely. The current guidelines address antibody validation, experimental replication, sequencing depth, data and metadata reporting, and data quality assessment. We discuss how ChIP quality, assessed in these ways, affects different uses of ChIP-seq data. All data sets used in the analysis have been deposited for public viewing and downloading at the ENCODE (http://encodeproject.org/ENCODE/) and modENCODE (http://www.modencode.org/) portals.

Chromatin is composed of DNA and a variety of modified histones and non-histone proteins, which have an impact on cell differentiation, gene regulation and other key cellular processes. Here we present a genome-wide chromatin landscape for Drosophila melanogaster based on eighteen histone modifications, summarized by nine prevalent combinatorial patterns. Integrative analysis with other data (non-histone chromatin proteins, DNase I hypersensitivity, GRO-Seq reads produced by engaged polymerase, short/long RNA products) reveals discrete characteristics of chromosomes, genes, regulatory elements and other functional domains. We find that active genes display distinct chromatin signatures that are correlated with disparate gene lengths, exon patterns, regulatory functions and genomic contexts. We also demonstrate a diversity of signatures among Polycomb targets that include a subset with paused polymerase. This systematic profiling and integrative analysis of chromatin signatures provides insights into how genomic elements are regulated, and will serve as a resource for future experimental investigations of genome structure and function. Three papers in this issue of Nature report on the modENCODE initiative, which aims to characterize functional DNA elements in the fruitfly Drosophila melanogaster and the roundworm Caenorhabditis elegans. Kharchenko et al. present a genome-wide chromatin landscape of the fruitfly, based on 18 histone modifications. They describe nine prevalent chromatin states. Integrating these analyses with other data types reveals individual characteristics of different genomic elements. Graveley et al. have used RNA-Seq, tiling microarrays and cDNA sequencing to explore the transcriptome in 30 distinct developmental stages of the fruitfly. Among the results are scores of new genes, coding and non-coding transcripts, as well as splicing and editing events. Finally, Nègre et al. have produced a map of the regulatory part of the fruitfly genome, defining a vast array of putative regulatory elements, such as enhancers, promoters, insulators and silencers. As part of the modENCODE initiative, which aims to characterize functional DNA elements in D. melanogaster and C. elegans, this study presents a genome-wide chromatin landscape of the fruitfly, based on 18 histone modifications. Nine prevalent chromatin states are described. Integrating these analyses with other data types reveals individual characteristics of different genomic elements. The work provides a resource of unprecedented scale for future experimental investigations.

Abstract Chromothripsis is a mutational phenomenon characterized by massive, clustered genomic rearrangements that occurs in cancer and other diseases. Recent studies in selected cancer types have suggested that chromothripsis may be more common than initially inferred from low-resolution copy-number data. Here, as part of the Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes (PCAWG) Consortium of the International Cancer Genome Consortium (ICGC) and The Cancer Genome Atlas (TCGA), we analyze patterns of chromothripsis across 2,658 tumors from 38 cancer types using whole-genome sequencing data. We find that chromothripsis events are pervasive across cancers, with a frequency of more than 50% in several cancer types. Whereas canonical chromothripsis profiles display oscillations between two copy-number states, a considerable fraction of events involve multiple chromosomes and additional structural alterations. In addition to non-homologous end joining, we detect signatures of replication-associated processes and templated insertions. Chromothripsis contributes to oncogene amplification and to inactivation of genes such as mismatch-repair-related genes. These findings show that chromothripsis is a major process that drives genome evolution in human cancer.

A large collection of new modENCODE and ENCODE genome-wide chromatin data sets from cell lines and developmental stages in worm, fly and human are analysed; this reveals many conserved features of chromatin organization among the three organisms, as well as notable differences in the composition and locations of repressive chromatin. This study describes numerous new genome-wide chromatin data sets from cell lines and developmental stages of Homo sapiens, Drosophila melanogaster and Caenorhabditis elegans generated by the ENCODE and modENCODE consortia. The results point to many conserved features of chromatin organization among the three organisms, while identifying differences in the composition and locations of repressive chromatin. Genome function is dynamically regulated in part by chromatin, which consists of the histones, non-histone proteins and RNA molecules that package DNA. Studies in Caenorhabditis elegans and Drosophila melanogaster have contributed substantially to our understanding of molecular mechanisms of genome function in humans, and have revealed conservation of chromatin components and mechanisms1,2,3. Nevertheless, the three organisms have markedly different genome sizes, chromosome architecture and gene organization. On human and fly chromosomes, for example, pericentric heterochromatin flanks single centromeres, whereas worm chromosomes have dispersed heterochromatin-like regions enriched in the distal chromosomal ‘arms’, and centromeres distributed along their lengths4,5. To systematically investigate chromatin organization and associated gene regulation across species, we generated and analysed a large collection of genome-wide chromatin data sets from cell lines and developmental stages in worm, fly and human. Here we present over 800 new data sets from our ENCODE and modENCODE consortia, bringing the total to over 1,400. Comparison of combinatorial patterns of histone modifications, nuclear lamina-associated domains, organization of large-scale topological domains, chromatin environment at promoters and enhancers, nucleosome positioning, and DNA replication patterns reveals many conserved features of chromatin organization among the three organisms. We also find notable differences in the composition and locations of repressive chromatin. These data sets and analyses provide a rich resource for comparative and species-specific investigations of chromatin composition, organization and function.

Focal copy-number amplification is an oncogenic event. Although recent studies have revealed the complex structure1-3 and the evolutionary trajectories4 of oncogene amplicons, their origin remains poorly understood. Here we show that focal amplifications in breast cancer frequently derive from a mechanism-which we term translocation-bridge amplification-involving inter-chromosomal translocations that lead to dicentric chromosome bridge formation and breakage. In 780 breast cancer genomes, we observe that focal amplifications are frequently connected to each other by inter-chromosomal translocations at their boundaries. Subsequent analysis indicates the following model: the oncogene neighbourhood is translocated in G1 creating a dicentric chromosome, the dicentric chromosome is replicated, and as dicentric sister chromosomes segregate during mitosis, a chromosome bridge is formed and then broken, with fragments often being circularized in extrachromosomal DNAs. This model explains the amplifications of key oncogenes, including ERBB2 and CCND1. Recurrent amplification boundaries and rearrangement hotspots correlate with oestrogen receptor binding in breast cancer cells. Experimentally, oestrogen treatment induces DNA double-strand breaks in the oestrogen receptor target regions that are repaired by translocations, suggesting a role of oestrogen in generating the initial translocations. A pan-cancer analysis reveals tissue-specific biases in mechanisms initiating focal amplifications, with the breakage-fusion-bridge cycle prevalent in some and the translocation-bridge amplification in others, probably owing to the different timing of DNA break repair. Our results identify a common mode of oncogene amplification and propose oestrogen as its mechanistic origin in breast cancer.

In the context of human disease, the mechanisms whereby transcription factors reprogram gene expression in response to injury are not well understood. This is particularly true in kidney podocytes, injury to which is the common and initial event in many processes that lead End Stage Kidney Disease. WT1 is a master regulator of gene expression in podocytes, binding nearly all genes known to be crucial for maintenance of the glomerular filtration barrier. Here, using purified populations of podocytes and glomeruli, we investigated WT1-mediated transcriptional reprogramming during the course of podocyte injury. Using the Adriamycin murine model of Focal Segmental Glomerulosclerosis, we discovered that podocyte injury led to increased intensity of WT1 binding and to the acquisition of new WT1 binding sites, both at previously identified target genes and at newly bound target genes, providing mechanistic insight on the transcriptional response to injury. We also observed a previously unrecognized transient increase in expression of WT1 target genes in both mice and human kidney organoids. Together, these features appear to constitute an attempt to repair the glomerular filtration barrier after podocyte injury. At later stages of injury, when proteinuria became severe, there was greatly decreased WT1 binding to most target genes. Furthermore, WT1 appeared to be required to maintain active chromatin marks at its target genes. These active marks were converted to repressive marks after loss of WT1 or Adriamycin-induced injury. This response to injury suggests that there may be a potential window of opportunity for repairing podocyte injury as a treatment for glomerular disease in humans.

Chromothripsis is a newly discovered mutational phenomenon involving massive, clustered genomic rearrangements that occurs in cancer and other diseases. Recent studies in cancer suggest that chromothripsis may be far more common than initially inferred from low resolution DNA copy number data. Here, we analyze the patterns of chromothripsis across 2,658 tumors spanning 39 cancer types using whole-genome sequencing data. We find that chromothripsis events are pervasive across cancers, with a frequency of >50% in several cancer types. Whereas canonical chromothripsis profiles display oscillations between two copy number states, a considerable fraction of the events involves multiple chromosomes as well as additional structural alterations. In addition to non-homologous end-joining, we detect signatures of replicative processes and templated insertions. Chromothripsis contributes to oncogene amplification as well as to inactivation of genes such as mismatch-repair related genes. These findings show that chromothripsis is a major process driving genome evolution in human cancer.