Abstract Genome-wide association studies have now identified tens of thousands of noncoding loci associated with human diseases and complex traits, each of which could reveal insights into biological mechanisms of disease. Many of the underlying causal variants are thought to affect enhancers, but we have lacked genome-wide maps of enhancer-gene regulation to interpret such variants. We previously developed the Activity-by-Contact (ABC) Model to predict enhancer-gene connections and demonstrated that it can accurately predict the results of CRISPR perturbations across several cell types. Here, we apply this ABC Model to create enhancer-gene maps in 131 cell types and tissues, and use these maps to interpret the functions of fine-mapped GWAS variants. For inflammatory bowel disease (IBD), causal variants are >20-fold enriched in enhancers in particular cell types, and ABC outperforms other regulatory methods at connecting noncoding variants to target genes. Across 72 diseases and complex traits, ABC links 5,036 GWAS signals to 2,249 unique genes, including a class of 577 genes that appear to influence multiple phenotypes via variants in enhancers that act in different cell types. Guided by these variant-to-function maps, we show that an enhancer containing an IBD risk variant regulates the expression of PPIF to tune mitochondrial membrane potential. Together, our study reveals insights into principles of genome regulation, illuminates mechanisms that influence IBD, and demonstrates a generalizable strategy to connect common disease risk variants to their molecular and cellular functions.

Abstract Gene regulation in the human genome is controlled by distal enhancers that activate specific nearby promoters. One model for the specificity of enhancer-promoter regulation is that different promoters might have sequence-encoded preferences for distinct classes of enhancers, for example mediated by interacting sets of transcription factors or cofactors. This “biochemical compatibility” model has been supported by observations at individual human promoters and by genome-wide measurements in Drosophila . However, the degree to which human enhancers and promoters are intrinsically compatible or specific has not been systematically measured, and how their activities combine to control RNA expression remains unclear. To address these questions, we designed a high-throughput reporter assay called enhancer x promoter (ExP) STARR-seq and applied it to examine the combinatorial compatibilities of 1,000 enhancer and 1,000 promoter sequences in human K562 cells. We identify a simple logic for enhancer-promoter compatibility – virtually all enhancers activated all promoters by similar amounts, and intrinsic enhancer and promoter activities combine multiplicatively to determine RNA output ( R 2 =0.82). In addition, two classes of enhancers and promoters showed subtle preferential effects. Promoters of housekeeping genes contained built-in activating sequences, corresponding to motifs for factors such as GABPA and YY1, that correlated with both stronger autonomous promoter activity and enhancer activity, and weaker responsiveness to distal enhancers. Promoters of context-specific genes lacked these motifs and showed stronger responsiveness to enhancers. Together, this systematic assessment of enhancer-promoter compatibility suggests a multiplicative model tuned by enhancer and promoter class to control gene transcription in the human genome.

Mammalian genomes harbor millions of noncoding elements called enhancers that quantitatively regulate gene expression, but it remains unclear which enhancers regulate which genes. Here we describe an experimental approach, based on CRISPR interference, RNA FISH, and flow cytometry (CRISPRi-FlowFISH), to perturb enhancers in the genome, and apply it to test >3,000 potential regulatory enhancer-gene connections across multiple genomic loci. A simple equation based on a mechanistic model for enhancer function performed remarkably well at predicting the complex patterns of regulatory connections we observe in our CRISPR dataset. This Activity-by-Contact (ABC) model involves multiplying measures of enhancer activity and enhancer-promoter 3D contacts, and can predict enhancer-gene connections in a given cell type based on chromatin state maps. Together, CRISPRi-FlowFISH and the ABC model provide a systematic approach to map and predict which enhancers regulate which genes, and will help to interpret the functions of the thousands of disease risk variants in the noncoding genome.

Mammalian genomes are pervasively transcribed to produce thousands of spliced long noncoding RNAs (lncRNAs), whose functions remain poorly understood. Because recent evidence has implicated several specific lncRNA loci in the local regulation of gene expression, we sought to determine whether such local regulation is a property of many lncRNA loci. We used genetic manipulations to dissect 12 genomic loci that produce lncRNAs and found that 5 of these loci influence the expression of a neighboring gene in cis. Surprisingly, however, none of these effects required the specific lncRNA transcripts themselves and instead involved general processes associated with their production, including enhancer-like activity of gene promoters, the process of transcription, and the splicing of the transcript. Interestingly, such effects are not limited to lncRNA loci: we found similar effects on local gene expression at 4 of 6 protein-coding loci. These results demonstrate that 'crosstalk' among neighboring genes is a prevalent phenomenon that can involve multiple mechanisms and cis regulatory signals, including a novel role for RNA splicing. These mechanisms may explain the function and evolution of some genomic loci that produce lncRNAs.