SUMMARY To infer potential causal relationships between 3D chromatin structure, enhancers, and gene transcription, we mapped each feature in a genome-wide fashion across eight narrowly-spaced timepoints of macrophage activation. Enhancers and genes connected by loops exhibited stronger correlations between histone H3K27 acetylation and expression than can be explained by genomic distance or physical proximity alone. Changes in acetylation at looped distal enhancers preceded changes in gene expression. Changes in gene expression exhibit a directional bias at differential loop anchors; gained loops are associated with increased expression of genes oriented away from the center of the loop, while lost loops were often accompanied by high levels of transcription with the loop boundaries themselves. Taken together, these results are consistent with a reciprocal relationship in which loops can facilitate increased transcription by connecting promoters to distal enhancers while high levels of transcription can impede loop formation. HIGHLIGHTS LPS + IFNγ triggers genome-wide changes in chromatin looping, enhancer acetylation, and gene expression Looped enhancer-promoter pairs exhibit ordered and correlated changes in acetylation and expression Changes in gene expression exhibit a directional bias at differential loop anchors Lost loops are associated with high levels of transcription within loop boundaries

Osteoarthritis (OA) poses a significant healthcare burden with limited treatment options. While genome-wide association studies (GWAS) have identified over 100 OA-associated loci, translating these findings into therapeutic targets remains challenging. Integrating expression quantitative trait loci (eQTL), 3D chromatin structure, and other genomic approaches with OA GWAS data offers a promising approach to elucidate disease mechanisms; however, comprehensive eQTL maps in OA-relevant tissues and conditions remain scarce. We mapped gene expression, chromatin accessibility, and 3D chromatin structure in primary human articular chondrocytes in both resting and OA-mimicking conditions. We identified thousands of differentially expressed genes, including those associated with differences in sex and age. RNA-seq in chondrocytes from 101 donors across two conditions uncovered 3782 unique eGenes, including 420 that exhibited strong and significant condition-specific effects. Colocalization with OA GWAS signals revealed 13 putative OA risk genes, 10 of which have not been previously identified. Chromatin accessibility and 3D chromatin structure provided insights into the mechanisms and conditional specificity of these variants. Our findings shed light on OA pathogenesis and highlight potential targets for therapeutic development.

Gene regulatory effects in bulk-post mortem brain tissues are undetected at many non-coding brain trait-associated loci. We hypothesized that context-specific genetic variant function during stimulation of a developmental signaling pathway would explain additional regulatory mechanisms. We measured chromatin accessibility and gene expression following activation of the canonical Wnt pathway in primary human neural progenitors from 82 donors. TCF/LEF motifs, brain structure-, and neuropsychiatric disorder-associated variants were enriched within Wnt-responsive regulatory elements (REs). Genetically influenced REs were enriched in genomic regions under positive selection along the human lineage. Stimulation of the Wnt pathway increased the detection of genetically influenced REs/genes by 66.2%/52.7%, and led to the identification of 397 REs primed for effects on gene expression. Context-specific molecular quantitative trait loci increased brain-trait colocalizations by up to 70%, suggesting that genetic variant effects during early neurodevelopmental patterning lead to differences in adult brain and behavioral traits.

Alzheimer’s disease (AD) is a progressive neurodegenerative disease that impacts nearly 400 million people worldwide. The accumulation of amyloid beta (Aβ) in the brain has historically been associated with AD, and recent evidence suggests that neuroinflammation plays a central role in its origin and progression. These observations have given rise to the theory that Aβ is the primary trigger of AD, and induces proinflammatory activation of immune brain cells (i.e. microglia), which culminates in neuronal damage and cognitive decline. In order to test this hypothesis, many in vitro systems have been established to study Aβ-mediated activation of innate immune cells. Nevertheless, the transcriptional resemblance of these models to the microglia in the AD brain has never been comprehensively studied on a genome-wide scale. To address this, we used bulk RNA-seq to assess the transcriptional differences between in vitro cell types used to model neuroinflammation in AD, including several established, primary and iPSC-derived immune cell lines (macrophages, microglia and astrocytes) and their similarities to primary cells in the AD brain. We then analyzed the transcriptional response of these innate immune cells to synthetic Aβ. We found that human induced pluripotent stem cell (hIPSC)-derived microglia (IMGL) are the in vitro cell model that best resembles primary microglia. Surprisingly, synthetic Aβ does not trigger a robust transcriptional response in any of the cellular models analyzed, despite testing a wide variety of Aβ formulations, concentrations, and treatment conditions. Finally, we found that bacterial LPS and INFγ activate microglia and induce transcriptional changes similar to those observed in disease associated microglia present in the AD brain, suggesting the potential suitability of this model to study AD-related neuroinflammation.

Protein phosphatases and kinases play critical roles in a host of biological processes and diseases via the removal and addition of phosphoryl groups. While kinases have been extensively studied for decades, recent findings regarding the specificity and activities of phosphatases have generated an increased interest in targeting phosphatases for pharmaceutical development. This increased focus has created a need for methods to visualize this important class of proteins within the context of the entire phosphatase protein family. Here, we present CoralP, an interactive web application for the generation of customizable, publication-quality representations of human phosphatome data. Phosphatase attributes can be encoded through edge colors, node colors, and node sizes. CoralP is the first and currently the only tool designed for phosphatome visualization and should be of great use to the signaling community. The source code and web application are available at https:// github.com/PhanstielLab/coralp and http://phanstiel- lab.med.unc.edu/coralp respectively.

ABSTRACT 3D chromatin structure has been shown to play a role in regulating gene transcription during biological transitions. While our understanding of loop formation and maintenance is rapidly improving, much less is known about the mechanisms driving changes in looping and the impact of differential looping on gene transcription. One limitation has been a lack of well powered differential looping data sets. To address this, we conducted a deeply sequenced Hi-C time course of megakaryocyte development comprising 4 biological replicates and 6 billion reads per time point. Statistical analysis revealed 1,503 differential loops. Gained loops were enriched for AP-1 occupancy and correlated with increased expression of genes at their anchors. Lost loops were characterized by increases in expression of genes within the loop boundaries. Linear modeling revealed that changes in histone H3 K27 acetylation, chromatin accessibility, and JUN binding in between the loop anchors were as predictive of changes in loop strength as changes to CTCF and/or cohesin occupancy at loop anchors. Finally, we built linear models and found that incorporating the dynamics of enhancer acetylation and loop strength increased accuracy of gene expression predictions.