Abstract The heart is a highly specialized organ with essential function for the organism throughout life. The significance of DNA methylation in shaping the phenotype of the heart remains only partially known. Here we generate and analyse DNA methylomes from highly purified cardiomyocytes of neonatal, adult healthy and adult failing hearts. We identify large genomic regions that are differentially methylated during cardiomyocyte development and maturation. Demethylation of cardiomyocyte gene bodies correlates strongly with increased gene expression. Silencing of demethylated genes is characterized by the polycomb mark H3K27me3 or by DNA methylation. De novo methylation by DNA methyltransferases 3A/B causes repression of fetal cardiac genes, including essential components of the cardiac sarcomere. Failing cardiomyocytes partially resemble neonatal methylation patterns. This study establishes DNA methylation as a highly dynamic process during postnatal growth of cardiomyocytes and their adaptation to pathological stress in a process tightly linked to gene regulation and activity.

The Galaxy HiCExplorer provides a web service at https://hicexplorer.usegalaxy.eu. It enables the integrative analysis of chromosome conformation by providing tools and computational resources to pre-process, analyse and visualize Hi-C, Capture Hi-C (cHi-C) and single-cell Hi-C (scHi-C) data. Since the last publication, Galaxy HiCExplorer has been expanded considerably with new tools to facilitate the analysis of cHi-C and to provide an in-depth analysis of Hi-C data. Moreover, it supports the analysis of scHi-C data by offering a broad range of tools. With the help of the standard graphical user interface of Galaxy, presented workflows, extensive documentation and tutorials, novices as well as Hi-C experts are supported in their Hi-C data analysis with Galaxy HiCExplorer.

Abstract Epigenetic mechanisms and transcription factor networks essential for differentiation of cardiac myocytes have been uncovered. However, reshaping of the epigenome of these terminally differentiated cells during fetal development, postnatal maturation, and in disease remains unknown. Here, we investigate the dynamics of the cardiac myocyte epigenome during development and in chronic heart failure. We find that prenatal development and postnatal maturation are characterized by a cooperation of active CpG methylation and histone marks at cis -regulatory and genic regions to shape the cardiac myocyte transcriptome. In contrast, pathological gene expression in terminal heart failure is accompanied by changes in active histone marks without major alterations in CpG methylation and repressive chromatin marks. Notably, cis -regulatory regions in cardiac myocytes are significantly enriched for cardiovascular disease-associated variants. This study uncovers distinct layers of epigenetic regulation not only during prenatal development and postnatal maturation but also in diseased human cardiac myocytes.

Galaxy HiCExplorer is a web server that facilitates the study of the 3D conformation of chromatin by allowing Hi-C data processing, analysis and visualization. With the Galaxy HiCExplorer web server, users with little bioinformatic background can perform every step of the analysis in one workflow: mapping of the raw sequence data, creation of Hi-C contact matrices, quality assessment, correction of contact matrices and identification of topological associated domains (TADs) and A/B compartments. Users can create publication ready plots of the contact matrix, A/B compartments, and TADs on a selected genomic locus, along with additional information like gene tracks or ChIP-seq signals. Galaxy HiCExplorer is freely usable at: https://hicexplorer.usegalaxy.eu and is available as a Docker container: https://github.com/deeptools/docker-galaxy-hicexplorer.

Abstract In 2019 the severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) caused the first documented cases of severe lung disease COVID-19. Since then, SARS-CoV-2 has been spreading around the globe resulting in a severe pandemic with over 500.000 fatalities and large economical and social disruptions in human societies. Gaining knowledge on how SARS-Cov-2 interacts with its host cells and causes COVID-19 is crucial for the intervention of novel therapeutic strategies. SARS-CoV-2, like other coronaviruses, is a positive-strand RNA virus. The viral RNA is modified by RNA-modifying enzymes provided by the host cell. Direct RNA sequencing (DRS) using nanopores enables unbiased sensing of canonical and modified RNA bases of the viral transcripts. In this work, we used DRS to precisely annotate the open reading frames and the landscape of SARS-CoV-2 RNA modifications. We provide the first DRS data of SARS-CoV-2 in infected human lung epithelial cells. From sequencing three isolates, we derive a robust identification of SARS-CoV-2 modification sites within a physiologically relevant host cell type. A comparison of our data with the DRS data from a previous SARS-CoV-2 isolate, both raised in monkey renal cells, reveals consistent RNA modifications across the viral genome. Conservation of the RNA modification pattern during progression of the current pandemic suggests that this pattern is likely essential for the life cycle of SARS-CoV-2 and represents a possible target for drug interventions.

Abstract Rationale Genetic factors undoubtedly contribute to the development of congenital heart disease (CHD), but still remain mostly ill-defined. Objective Identification of genetic risk factors associated with CHD and functional analysis of SNP-carrying genes. Methods and Results Genetic association study of 1,440 Caucasian CHD patients from the German Heart Center Munich collected from March 2009 to June 2016, 2,594 patients of previous studies provided by the Newcastle University and 8,486 controls underwent meta-analysis to detect single nucleotide polymorphisms (SNPs) associated with CHD. Results 4,034 Caucasian CHD patients strictly classified according to the Society of Thoracic Surgeons nomenclature and 8,486 controls were included. One SNP on chromosome 5 reached genome-wide significance across all CHD phenotypes (rs185531658,OR:2.16, p =5.28×10 −9 ) and was also indicative for septal defects (OR:2.16, p =6.15×10 −8 ). One region on chromosome 20 pointing to the MACROD2 locus, identified four SNPs (rs150246290,OR:3.78, p =1.27×10 −10 ; rs149890280,OR:3.74, p =1.8×10 −10 ; rs149467721,OR:3.53; p =1.39×10 −9 , rs77094733,OR:3.53, p =1.73×10 −9 ) in patients with transposition of the great arteries (TGA). A second region was detected on chromosome 8 located at ZBTB10 (rs148563140,OR:3.42, p =3.28×10 −8 ; rs143638934,OR:3.42, p =3.51×10 −8 ) in the same subgroup. Three highly significant risk variants on chromosome 17 (rs76774446,OR:1.60, p =9.95×10 −8 ; rs11874,OR:1.60, p =6.64×10 −8 ; rs17677363,OR:1.60, p =9.81×10 −8 ) within the GOSR2 locus were identified in patients with anomalies of thoracic arteries and veins (ATAV). Genetic variants associated with ATAV are suggested to influence expression of WNT3 , and variant rs870142 related to septal defects is proposed to influence expression of MSX1 . Cardiac differentiation of human and murine induced pluripotent stem cells and single cell RNAseq analyses of developing murine and human hearts show essential functional roles for MACROD2, GOSR2, WNT3 and MSX1 at all developmental stages. Conclusions For the first time genetic risk factors in CHD patients with TGA and ATAV were identified. Several candidate genes play an essential functional role in heart development at the embryonic, newborn and adult stage.

ABSTRACT Background Complex molecular programs in specific cell lineages govern human heart development. Hypoplastic left heart syndrome (HLHS) is the most common and severe manifestation within the spectrum of left ventricular outflow tract obstruction defects occurring in association with ventricular hypoplasia. The pathogenesis of HLHS is unknown, but hemodynamic disturbances are assumed to play a prominent role. Methods To identify perturbations in gene programs controlling ventricular muscle lineage development in HLHS, we performed: i) whole-exome sequencing of 87 HLHS parent-offspring trios, ii) nuclear transcriptomics of cardiomyocytes from ventricles of 4 patients with HLHS and 15 controls at different stages of heart development, iii) single cell RNA sequencing and iv) 3D modeling in iPSCs from 3 patients with HLHS and 3 controls. Results Gene set enrichment and protein network analyses of damaging de-novo mutations and dysregulated genes from ventricles of patients with HLHS suggested alterations in specific gene programs and cellular processes critical during fetal ventricular cardiogenesis, including cell-cycle and cardiomyocyte maturation. Single-cell and 3D modeling with iPSCs demonstrated intrinsic defects in the cell-cycle/UPR/autophagy hub resulting in disrupted differentiation of early cardiac progenitor lineages leading to defective cardiomyocyte-subtype differentiation/maturation in HLHS. Additionally, premature cell-cycle exit of ventricular cardiomyocytes from HLHS patients prevented normal tissue responses to developmental signals for growth leading to multinucleation/polyploidy, accumulation of DNA damage, and exacerbated apoptosis, all potential drivers of left ventricular hypoplasia in absence of hemodynamic cues. Conclusions Our results highlight that despite genetic heterogeneity in HLHS, many mutations converge on sequential cellular processes primarily driving cardiac myogenesis, suggesting novel therapeutic approaches.

Abstract DNA:DNA:RNA triplexes that are formed through Hoogsteen base-pairing have been observed in vitro , but the extent to which these interactions occur in cells and how they impact cellular functions remains elusive. Using a combination of bioinformatic techniques, RNA/DNA pulldown and biophysical studies, we set out to identify functionally important DNA:DNA:RNA triplex-forming long non-coding RNAs (lncRNA) in human endothelial cells. The lncRNA HIF1α-AS1 was retrieved as a top hit. Endogenous HIF1α-AS1 reduced the expression of numerous genes, including EPH Receptor A2 and Adrenomedullin through DNA:DNA:RNA triplex formation by acting as an adapter for the repressive human silencing hub complex (HUSH). Moreover, the oxygen-sensitive HIF1α-AS1 was down-regulated in pulmonary hypertension and loss-of-function approaches not only resulted in gene de-repression but also enhanced angiogenic capacity. As exemplified here with HIF1α-AS1, DNA:DNA:RNA triplex formation is a functionally important mechanism of trans-acting gene expression control.

Oxidative stress is caused by short-lived molecules and metabolic changes belong to the fastest cellular responses. Here we studied how the endothelial cell metabolome reacts to acute oxidative challenges (menadione or H2O2) to identify redox-sensitive metabolic enzymes. H2O2 selectively increased alpha-ketoglutaramate (alphaKGM), a largely uncharacterized metabolite produced by glutamine transamination and a yet unrecognized intermediate of endothelial glutamine catabolism. The enzyme nitrilase-like 2 omega-amidase (NIT2) converts alphaKGM to alpha-ketoglutarate (alphaKG). Reversible oxidation of specific cysteine in NIT2 by H2O2 inhibited its catalytic activity. Furthermore, a variant in the NIT2 gene that decreases its expression is associated with high plasma alphaKGM level in humans. Endothelial-specific knockout mice of NIT2 exhibited increased levels of alphaKGM and impaired angiogenesis. Knockout of NIT2 impaired endothelial cell proliferation and sprouting and induced senescence. In conclusion, we show that the glutamine transaminase-omega-amidase pathway is a metabolic switch in which NIT2 is the redox-sensitive enzyme. The pathway is modulated in humans and functionally important for endothelial glutamine metabolism.

Abstract The coordination of chromatin remodeling is essential for DNA accessibility and gene expression control 1 . The highly conserved and ubiquitously expressed SWItch/Sucrose Non-Fermentable (SWI/SNF) chromatin remodeling complex plays a central role in cell type- and context-dependent gene expression 2 . Despite the absence of a defined DNA recognition motif, SWI/SNF binds lineage specific enhancers genome-wide where it actively maintains open chromatin state 2–5 . It does so while retaining the ability to respond dynamically to cellular signals 4 . However, the mechanisms that guide SWI/SNF to specific genomic targets have remained elusive. Here we demonstrate that trans -acting long non-coding RNAs (lncRNAs) direct the SWI/SNF complex to cell type-specific enhancers. SWI/SNF preferentially binds lncRNAs and these predominantly bind DNA targets in trans . Together they localize to enhancers, many of which are cell type-specific. Knockdown of SWI/SNF- and enhancer-bound lncRNAs causes the genome-wide redistribution of SWI/SNF away from enhancers and a concomitant differential expression of spatially connected target genes. These lncRNA-SWI/SNF-enhancer networks support an enhancer hub model of SWI/SNF genomic targeting. Our findings reveal a competitive recruitment of SWI/SNF by lncRNAs which provide a specific and dynamic layer of control in chromatin accessibility and gene expression.