Transcriptional enhancers orchestrate cell-type-specific gene expression programs, but how they convey signal-activated transcriptional responses remains poorly understood. Here, the cell-lineage-specific transcription factor FoxA1 is shown to both facilitate and restrict the androgen receptor to act on distinct classes of enhancers. Lowered levels of FoxA1, such as those found in prostate cancer, can reprogram the hormonal response by causing a switch in androgen receptor binding to a set of pre-established, functional enhancers that are marked by enhancer-derived non-coding RNAs (eRNAs). This work points to the existence of a large repository of active enhancers that can be tuned to allow alternative gene expression programs in normal cell development and in disease progression. Mammalian genomes are populated with thousands of transcriptional enhancers that orchestrate cell-type-specific gene expression programs1,2,3,4, but how those enhancers are exploited to institute alternative, signal-dependent transcriptional responses remains poorly understood. Here we present evidence that cell-lineage-specific factors, such as FoxA1, can simultaneously facilitate and restrict key regulated transcription factors, exemplified by the androgen receptor (AR), to act on structurally and functionally distinct classes of enhancer. Consequently, FoxA1 downregulation, an unfavourable prognostic sign in certain advanced prostate tumours, triggers dramatic reprogramming of the hormonal response by causing a massive switch in AR binding to a distinct cohort of pre-established enhancers. These enhancers are functional, as evidenced by the production of enhancer-templated non-coding RNA (eRNA5) based on global nuclear run-on sequencing (GRO-seq) analysis6, with a unique class apparently requiring no nucleosome remodelling to induce specific enhancer–promoter looping and gene activation. GRO-seq data also suggest that liganded AR induces both transcription initiation and elongation. Together, these findings reveal a large repository of active enhancers that can be dynamically tuned to elicit alternative gene expression programs, which may underlie many sequential gene expression events in development, cell differentiation and disease progression.

Recent studies suggest a hierarchical model in which lineage-determining factors act in a collaborative manner to select and prime cell-specific enhancers, thereby enabling signal-dependent transcription factors to bind and function in a cell-type-specific manner. Consistent with this model, TLR4 signaling primarily regulates macrophage gene expression through a pre-existing enhancer landscape. However, TLR4 signaling also induces priming of ∼3,000 enhancer-like regions de novo, enabling visualization of intermediates in enhancer selection and activation. Unexpectedly, we find that enhancer transcription precedes local mono- and dimethylation of histone H3 lysine 4 (H3K4me1/2). H3K4 methylation at de novo enhancers is primarily dependent on the histone methyltransferases Mll1, Mll2/4, and Mll3 and is significantly reduced by inhibition of RNA polymerase II elongation. Collectively, these findings suggest an essential role of enhancer transcription in H3K4me1/2 deposition at de novo enhancers that is independent of potential functions of the resulting eRNA transcripts.

It is unclear whether bidirectional non-coding RNAs transcribed from enhancer elements (eRNAs) have any functional role; here, the repressive functions of Rev-Erb nuclear receptors in macrophages are shown to be linked to their ability to inhibit the transcription of eRNAs. Bidirectional non-coding RNAs are transcribed from enhancer elements, but it is unclear whether these enhancer-derived RNAs (eRNAs) have a functional role or are merely a reflection of enhancer activity. Two manuscripts in this issue of Nature examine this question in the context of the positive and negative transcriptional functions of different nuclear receptors. Wenbo Li et al. provide evidence for the functional importance of eRNA transcription during the activation of genes by the oestrogen receptor in breast cancer cell lines; and Michael Lam et al. show that the repressive functions of Rev-Erb nuclear receptors in macrophages are linked to their ability to inhibit the transcription of eRNAs. Taken together these studies provide evidence for a role for eRNAs in contributing to enhancer functions. Rev-Erb-α and Rev-Erb-β are nuclear receptors that regulate the expression of genes involved in the control of circadian rhythm1,2, metabolism3,4 and inflammatory responses5. Rev-Erbs function as transcriptional repressors by recruiting nuclear receptor co-repressor (NCoR)–HDAC3 complexes to Rev-Erb response elements in enhancers and promoters of target genes6,7,8, but the molecular basis for cell-specific programs of repression is not known. Here we present evidence that in mouse macrophages Rev-Erbs regulate target gene expression by inhibiting the functions of distal enhancers that are selected by macrophage-lineage-determining factors, thereby establishing a macrophage-specific program of repression. Remarkably, the repressive functions of Rev-Erbs are associated with their ability to inhibit the transcription of enhancer-derived RNAs (eRNAs). Furthermore, targeted degradation of eRNAs at two enhancers subject to negative regulation by Rev-Erbs resulted in reduced expression of nearby messenger RNAs, suggesting a direct role of these eRNAs in enhancer function. By precisely defining eRNA start sites using a modified form of global run-on sequencing that quantifies nascent 5′ ends, we show that transfer of full enhancer activity to a target promoter requires both the sequences mediating transcription-factor binding and the specific sequences encoding the eRNA transcript. These studies provide evidence for a direct role of eRNAs in contributing to enhancer functions and suggest that Rev-Erbs act to suppress gene expression at a distance by repressing eRNA transcription.

Rationale: Atherosclerotic lesions are known for their cellular heterogeneity, yet the molecular complexity within the cells of human plaques has not been fully assessed. Objective: Using single-cell transcriptomics and chromatin accessibility, we gained a better understanding of the pathophysiology underlying human atherosclerosis. Methods and Results: We performed single-cell RNA and single-cell ATAC sequencing on human carotid atherosclerotic plaques to define the cells at play and determine their transcriptomic and epigenomic characteristics. We identified 14 distinct cell populations including endothelial cells, smooth muscle cells, mast cells, B cells, myeloid cells, and T cells and identified multiple cellular activation states and suggested cellular interconversions. Within the endothelial cell population, we defined subsets with angiogenic capacity plus clear signs of endothelial to mesenchymal transition. CD4 + and CD8 + T cells showed activation-based subclasses, each with a gradual decline from a cytotoxic to a more quiescent phenotype. Myeloid cells included 2 populations of proinflammatory macrophages showing IL (interleukin) 1B or TNF (tumor necrosis factor) expression as well as a foam cell-like population expressing TREM2 (triggering receptor expressed on myeloid cells 2) and displaying a fibrosis-promoting phenotype. ATACseq data identified specific transcription factors associated with the myeloid subpopulation and T cell cytokine profiles underlying mutual activation between both cell types. Finally, cardiovascular disease susceptibility genes identified using public genome-wide association studies data were particularly enriched in lesional macrophages, endothelial, and smooth muscle cells. Conclusions: This study provides a transcriptome-based cellular landscape of human atherosclerotic plaques and highlights cellular plasticity and intercellular communication at the site of disease. This detailed definition of cell communities at play in atherosclerosis will facilitate cell-based mapping of novel interventional targets with direct functional relevance for the treatment of human disease.

Abstract Ischemic heart disease is globally the leading cause of death. It plays a central role in the electrical and structural remodeling of the right atrium, predisposing to arrhythmias, heart failure, and sudden death. Here, we provide the first dissection of the gene expression changes in the live right atrial tissue, using single-nuclei RNA-seq and spatial transcriptomics. We investigate matched samples of the tissue and pericardial fluid and reveal substantial differences in disease- associated gene expression in all cell types, leading to inflammatory microvascular dysfunction and changes in the tissue composition. Our study demonstrates the importance of creating high- resolution cellular maps and partitioning disease signals beyond epicardial coronary arteries and ischemic left ventricle to identify candidate mechanisms leading to more severe types of human cardiovascular disease. One-Sentence Summary Single-cell dissection of ex vivo heart biopsies and pericardial fluid in ischemic heart disease and heart failure

ABSTRACT Coronary artery disease (CAD) is the leading cause of death worldwide. Recent meta-analyses of genome-wide association studies (GWAS) have identified over 175 loci associated with CAD. The majority of these loci are in non-coding regions and are predicted to regulate gene expression. Given that vascular smooth muscle cells (SMCs) play critical roles in the development and progression of CAD, we hypothesized that a subset of the CAD GWAS risk loci are associated with the regulation of transcription in distinct SMC phenotypes. Here, we measured gene expression in SMCs isolated from the ascending aortas of 151 ethnically diverse heart transplant donors in quiescent or proliferative conditions and calculated the association of their expression and splicing with ∼6.3 million imputed single nucleotide polymorphism (SNP) markers across the genome. We identified 4,910 expression and 4,412 splice quantitative trait loci (sQTL) that represent regions of the genome associated with transcript abundance and splicing. 3,660 of the eQTLs had not been observed in the publicly available Genotype-Tissue Expression dataset. Further, 29 and 880 of the eQTLs were SMC- and sex-specific, respectively. To identify the effector transcript(s) regulated by CAD GWAS loci, we used four distinct colocalization approaches and identified 84 eQTL and 164 sQTLs that colocalized with CAD loci, highlighting the importance of genetic regulation of mRNA splicing as a molecular mechanism for CAD genetic risk. Notably, 20% and 35% of the eQTLs were unique to quiescent or proliferative SMCs, respectively. Two CAD loci colocalized with a SMC sex-specific eQTL ( AL160313.1 and TERF2IP ) and another locus colocalized with SMC-specific eQTL ( ALKBH8 ). Also, 27% and 37% of the sQTLs were unique to quiescent or proliferative SMCs, respectively. The most significantly associated CAD locus, 9p21, was an sQTL for the long non-coding RNA CDKN2B-AS1 , also known as ANRIL , in proliferative SMCs. Collectively, these results provide evidence for the molecular mechanisms of genetic susceptibility to CAD in distinct SMC phenotypes.