Most human transcription factors bind a small subset of potential genomic sites and often use different subsets in different cell types. To identify mechanisms that govern cell-type-specific transcription factor binding, we used an integrative approach to study estrogen receptor α (ER). We found that ER exhibits two distinct modes of binding. Shared sites, bound in multiple cell types, are characterized by high-affinity estrogen response elements (EREs), inaccessible chromatin, and a lack of DNA methylation, while cell-specific sites are characterized by a lack of EREs, co-occurrence with other transcription factors, and cell-type-specific chromatin accessibility and DNA methylation. These observations enabled accurate quantitative models of ER binding that suggest tethering of ER to one-third of cell-specific sites. The distinct properties of cell-specific binding were also observed with glucocorticoid receptor and for ER in primary mouse tissues, representing an elegant genomic encoding scheme for generating cell-type-specific gene regulation.

Genome-wide occupancy maps of transcriptional regulators are important for understanding gene regulation and its effects on diverse biological processes, but only a small fraction of the >1,600 transcription factors (TFs) encoded in the human genome has been assayed. Here we present data and analyses of ChIP-seq experiments for 208 DNA-associated proteins (DAPs) in the HepG2 hepatocellular carcinoma line, spanning nearly a quarter of its expressed TFs, transcriptional co-factors, and chromatin regulator proteins. The DAP binding profiles classify into major groups associated predominantly with promoters or enhancers, or with both. We confirm and expand the current catalog of DNA sequence motifs; 77 factors showed similar motifs to those previously described using in vivo and/or in vitro methods, and 17 yielded novel motifs. We also describe motifs corresponding to other TFs that co-enrich with the primary ChIP target. FOX family motifs are, for example, significantly enriched in ChIP-seq peaks of 37 other DAPs. We show that promoters and enhancers can be discriminated based on motif content and occupancy patterns. This large catalog reveals High Occupancy Target (HOT) regions at which many DAPs associate, although each contains motifs for only a minority of the numerous associated DAPs. These analyses provide a deeper and more complete overview of the gene regulatory networks that define this cell type.

B-cell lineage acute lymphoblastic leukemia (B-ALL) is comprised of diverse molecular subtypes and while transcriptional and DNA methylation profiling of B-ALL subtypes has been extensively examined, the accompanying chromatin landscape is not well characterized for many subtypes. We therefore mapped chromatin accessibility using ATAC-seq for 10 B-ALL molecular subtypes in primary ALL cells from 154 patients. Comparisons with B-cell progenitors identified candidate B-ALL cell-of-origin and AP-1-associated cis-regulatory rewiring in B-ALL. Cis-regulatory rewiring promoted B-ALL-specific gene regulatory networks impacting oncogenic signaling pathways that perturb normal B-cell development. We also identified that over 20% of B-ALL accessible chromatin sites exhibit strong subtype enrichment, with transcription factor (TF) footprint profiling identifying candidate TFs that maintain subtype-specific chromatin architectures. Over 9000 inherited genetic variants were further uncovered that contribute to variability in chromatin accessibility among individual patient samples. Overall, our data suggest that distinct chromatin architectures are driven by diverse TFs and inherited genetic variants which promote unique gene regulatory networks that contribute to transcriptional differences among B-ALL subtypes.

Glucocorticoids (GCs; i.e., steroids) are important chemotherapeutic agents in the treatment of B-cell precursor acute lymphoblastic leukemia (B-ALL) and de novo GC resistance predicts relapse and poor clinical outcome in patients. Glucocorticoids induce B-ALL cell apoptosis through activation of glucocorticoid receptor (GR), a ligand-induced nuclear receptor transcription factor (TF). We previously identified disruptions to glucocorticoid receptor (GR)-bound cis -regulatory elements controlling TLE1 expression in GC-resistant primary B-ALL cells from patients. TLE1 is a GC-response gene up-regulated by steroids and functions as a canonical Wnt signaling repressor. To better understand the mechanistic relationship between GC signaling and canonical Wnt signaling, we performed diverse functional analyses that identified extensive crosstalk and mutual antagonism between these two signaling pathways in B-ALL. We determined that crosstalk and antagonism was driven by the binding of GR and the canonical Wnt signaling TFs LEF1 and TCF7L2 to overlapping sets of cis -regulatory elements associated with genes impacting cell death and cell proliferation, and was further accompanied by overlapping and opposing transcriptional programs. Our data additionally suggest that cis -regulatory disruptions at TLE1 are linked to GC resistance through a dampening of the GC response and GC-mediated apoptosis via enhanced canonical Wnt signaling. As a result of the extensive genomic and gene regulatory connectivity between these two signaling pathways, our data supports the importance of canonical Wnt signaling in mediating GC resistance in B-ALL.

Large-scale efforts like the Encyclopedia of DNA Elements (ENCODE) Project have made tremendous progress in cataloging the genomic binding patterns of DNA-associated proteins (DAPs), such as transcription factors (TFs). However most chromatin immunoprecipitation-sequencing (ChIP-seq) analyses have focused on a few immortalized cell lines whose activities and physiology deviate in important ways from endogenous cells and tissues. Consequently, binding data from primary human tissue are essential to improving our understanding of in vivo gene regulation. Here we analyze ChIP-seq data for 20 DAPs assayed in two healthy human liver tissue samples, identifying more than 450,000 binding sites. We integrated binding data with transcriptome and phased whole genome data to investigate allelic DAP interactions and the impact of heterozygous sequence variation on the expression of neighboring genes. We find our tissue-based dataset demonstrates binding patterns more consistent with liver biology than cell lines, and describe uses of these data to better prioritize impactful non-coding variation. Collectively, our rich dataset offers novel insights into genome function in healthy liver tissue and provides a valuable research resource for assessing disease-related disruptions.