Abstract The location of nucleosomes in the human genome determines the primary chromatin structure and regulates access to regulatory regions. However, genome-wide information on deregulated nucleosome occupancy and its implications in primary cancer cells is scarce. Here, we performed a systematic comparison of high-resolution nucleosome maps in peripheral-blood B-cells from patients with chronic lymphocytic leukaemia (CLL) and healthy individuals at single base pair resolution. Our investigation uncovered significant changes of both nucleosome positioning and packing in CLL. Globally, the spacing between nucleosomes (the nucleosome repeat length, NRL) was shortened in CLL. This effect was stronger in the more aggressive IGHV-unmutated than IGHV-mutated CLL subtype. Changes in nucleosome occupancy at specific sites were linked to active chromatin remodelling and reduced DNA methylation. Nucleosomes lost or gained in CLL in comparison with non-malignant B-cells marked differential binding of 3D chromatin organisers such as CTCF as well as immune response-related transcription factors, allowing delineating epigenetic mechanisms affected in CLL. Furthermore, patients could be better assigned to CLL subtypes according to nucleosome occupancy at cancer-specific sites than based on DNA methylation or gene expression. Thus, nucleosome positioning constitutes a novel readout to dissect molecular mechanisms of disease progression and to stratify patients. Furthermore, we anticipate that the global nucleosome positioning changes detected in our study, like the reduced NRL, can be exploited for liquid biopsy applications based on cell-free DNA to monitor disease progression.

Abstract Transcriptional enhancers regulate gene expression in time and space, commonly engaging in long-range chromosomal contacts with gene promoters. However, the relationship between enhancer activity, enhancer-promoter contacts and gene expression is not fully understood. Here, we leveraged human genetic variation as a “natural perturbation” to dissect this relationship, focusing on distal enhancers containing expression quantitative trait loci (eQTLs) – genetic variants linked to specific gene expression levels. We devised eQTL-Capture Hi-C to profile the chromosomal contacts of these loci globally and at high resolution in primary monocytes isolated from 34 donors, and generated chromatin accessibility and gene expression profiles from the same samples. Extending a Bayesian approach that considers both intra- and inter-individual variation, we detected 19 eQTLs linked to distinct promoter contacts, most of which also associated with enhancer accessibility and activity. Capitalising on these shared effects, we next employed a multi-modality Bayesian strategy, identifying hundreds of variants jointly associated with enhancer activity, connectivity, and gene expression. Many of these variants influenced the predicted binding of the architectural protein CTCF and the core myeloid transcription factors GABPA and SPI1; however, they typically did not perturb the canonical binding motifs of these factors. In contrast, one variant associated with PCK2 promoter contact directly disrupted a CTCF binding motif and impacted the insulation of this promoter from downstream enhancers. Finally, many identified QTLs overlapped with disease susceptibility loci, underscoring the potential role of enhancer-promoter communication in mediating the pathological effects of non-coding genetic variation. Jointly, our findings suggest an inherent functional link between the activity and connectivity of enhancers with relevance for human disease, and highlight the role of genetically-determined chromatin boundaries in gene control.

Nucleosome repositioning in cancer is believed to cause many changes in genome organisation and gene expression. Understanding these changes is important to elucidate fundamental aspects of cancer. It is also important for medical diagnostics based on cell-free DNA (cfDNA), which originates from genomic DNA regions protected from digestion by nucleosomes. Here we have generated high resolution nucleosome maps in paired tumour and normal tissues from the same breast cancer patients using MNase-assisted histone H3 ChIP-seq and compared them with the corresponding cfDNA from blood plasma. This analysis has detected single-nucleosome repositioning at key regulatory regions in a patient-specific manner and common cancer-specific patterns across patients. The nucleosomes gained in tumour versus normal tissue were particularly informative of cancer pathways, with ~20-fold enrichment at CpG islands, a large fraction of which marked promoters of genes encoding DNA-binding proteins. In addition, tumour tissues were characterised by a 5-10 bp decrease in the average distance between nucleosomes (nucleosome repeat length, NRL), which is qualitatively similar to the differences between pluripotent and differentiated cells. These effects were correlated with gene activity, DNA sequence repeats abundance, differential DNA methylation and binding of linker histone variants H1.4 and H1X. Our findings provide a new mechanistic understanding of nucleosome repositioning in tumour tissues that can be valuable for patient stratification and monitoring using liquid biopsies.