SUMMARY The ongoing pandemic caused by Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is currently affecting millions of lives worldwide. Large retrospective studies indicate that an elevated level of inflammatory cytokines and pro-inflammatory factors are associated with both increased disease severity and mortality. Here, using multidimensional epigenetic, transcriptional, in vitro and in vivo analyses, we report that Topoisomerase 1 (Top1) inhibition suppresses lethal inflammation induced by SARS-CoV-2. Therapeutic treatment with two doses of Topotecan (TPT), a FDA-approved Top1 inhibitor, suppresses infection-induced inflammation in hamsters. TPT treatment as late as four days post-infection reduces morbidity and rescues mortality in a transgenic mouse model. These results support the potential of Top1 inhibition as an effective host-directed therapy against severe SARS-CoV-2 infection. TPT and its derivatives are inexpensive clinical-grade inhibitors available in most countries. Clinical trials are needed to evaluate the efficacy of repurposing Top1 inhibitors for COVID-19 in humans.

Abstract Genome-wide association studies of Systemic Lupus Erythematosus (SLE) nominate 3,073 genetic variants at 91 risk loci. To systematically screen these variants for allelic transcriptional enhancer activity, we constructed a massively parallel reporter assay (MPRA) library comprising 12,396 DNA oligonucleotides containing the genomic context around every allele of each SLE variant. Transfection into the Epstein-Barr virus-transformed B cell line GM12878 revealed 482 variants with enhancer activity, with 51 variants showing genotype-dependent (allelic) enhancer activity at 27 risk loci. Comparison of MPRA results in GM12878 and Jurkat T cell lines highlights shared and unique allelic transcriptional regulatory mechanisms at SLE risk loci. In-depth analysis of allelic transcription factor (TF) binding at and around allelic variants identifies one class of TFs whose DNA-binding motif tends to be directly altered by the risk variant and a second, larger class of TFs that bind allelically without direct alteration of their motif by the variant. Collectively, our approach provides a blueprint for the discovery of allelic gene regulation at risk loci for any disease and offers insight into the transcriptional regulatory mechanisms underlying SLE.

Summary Multinucleated skeletal muscle cells have an obligatory need to acquire additional nuclei through fusion with activated skeletal muscle stem cells when responding to both developmental and adaptive growth stimuli. A fundamental question in skeletal muscle biology has been the reason underlying this need for new nuclei in syncytial cells that already harbor hundreds of nuclei. To begin to answer this long-standing question, we utilized nuclear RNA-sequencing approaches and developed a lineage tracing strategy capable of defining the transcriptional state of recently fused nuclei and distinguishing this state from that of pre-existing nuclei. Our findings reveal the presence of conserved markers of newly fused nuclei both during development and after a hypertrophic stimulus in the adult. However, newly fused nuclei also exhibit divergent gene expression that is determined by the myogenic environment to which they fuse. Moreover, accrual of new nuclei through fusion is required for nuclei already resident in adult myofibers to mount a normal transcriptional response to a load-inducing stimulus. We propose a model of mutual regulation in the control of skeletal muscle development and adaptations, where newly fused and pre-existing myonuclear populations influence each other to maintain optimal functional growth.

Abstract Transcription factors read the genome, fundamentally connecting DNA sequence to gene expression across diverse cell types. Determining how, where, and when TFs bind chromatin will advance our understanding of gene regulatory networks and cellular behavior. The 2017 ENCODE-DREAM in vivo Transcription-Factor Binding Site ( TFBS ) Prediction Challenge highlighted the value of chromatin accessibility data to TFBS prediction, establishing state-of-the- art methods for TFBS prediction from DNase-seq. However, the more recent Assay-for- Transposase-Accessible-Chromatin (ATAC)-seq has surpassed DNase-seq as the most widely- used chromatin accessibility profiling method. Furthermore, ATAC-seq is the only such technique available at single-cell resolution from standard commercial platforms. While ATAC-seq datasets grow exponentially, suboptimal motif scanning is unfortunately the most common method for TFBS prediction from ATAC-seq. To enable community access to state-of-the-art TFBS prediction from ATAC-seq, we (1) curated an extensive benchmark dataset (127 TFs) for ATAC-seq model training and (2) built “ maxATAC ”, a suite of user-friendly, deep neural network models for genome-wide TFBS prediction from ATAC-seq in any cell type. With models available for 127 human TFs, maxATAC is the first collection of high-performance TFBS prediction models for ATAC-seq. maxATAC performance extends to primary cells and single-cell ATAC-seq, enabling improved TFBS prediction in vivo . We demonstrate maxATAC’s capabilities by identifying TFBS associated with allele-dependent chromatin accessibility at atopic dermatitis genetic risk loci. Author Summary Proteins called transcription factors interpret the genome, reading both DNA sequence and chromatin state, to orchestrate gene expression across the diversity of human cell types. In any given cell type, most chromatin is “inaccessible”, and only those parts of the genetic code needed or likely to be needed soon are “accessible” for transcription factor binding to affect gene expression and cellular behavior. Hundreds of transcription factors are expressed in a given cell type and context (e.g., age, disease), and knowledge of their context-specific DNA binding sites is key to uncovering how transcription factors regulate cellular behaviors in health or disease. However, experimentally profiling the >1,600 human transcription factors across all cell types and contexts is infeasible. We built a suite of computational models “ maxATAC ” to predict transcription factor binding from a measurement of accessible chromatin, ATAC-seq . Importantly, ATAC-seq is feasible even at single-cell resolution. Thus, this data type, in combination with maxATAC, can be used to infer transcription factor binding sites in directly-relevant cell types isolated from physiological and disease settings, enabling insights into disease mechanisms, including how genetic variants and cellular context impact transcription factor binding, gene expression patterns and disease risk.

Abstract Runt-related transcription factor 1 (Runx1) can act as both an activator and a repressor. Here we show that CRISPR-mediated deletion of Runx1 in an embryonic kidney-derived cell (mK4) results in large-scale genome-wide changes to chromatin accessibility and gene expression. Open chromatin regions near down-regulated loci are enriched for Runx sites, remain bound by Runx2, but lose chromatin accessibility and expression in Runx1 knockout cells. Unexpectedly, regions near upregulated genes are depleted of Runx sites and are instead enriched for Zeb transcription factor binding sites. Re-expressing Zeb2 in Runx1 knockout cells restores suppression. These data confirm that Runx1 activity is uniquely needed to maintain open chromatin at many loci, and demonstrate that genome-scale derepression is an indirect consequence of losing Runx1-dependent Zeb expression.

Abstract Innate lymphoid cells (ILCs) are rare tissue-resident “helper” lymphocytes that do not express diversified antigen receptors. Type 3 ILCs (ILC3s) are an important class of these cells enriched in the respiratory and intestinal mucosa, where they regulate inflammation and mucosal homeostasis. To gain insight into the cis-regulatory circuitries underlying ILC3 function, we used high-resolution Capture Hi-C to profile promoter-anchored chromosomal contacts in human primary ILC3s. Combining significant interaction detection with the Activity-By-Contact approach adapted to Capture Hi-C, we reveal a multitude of contacts between promoters and distal regulatory elements and obtain evidence for distinct regulatory wiring of alternative promoters. We find that promoter-interacting regions in ILC3s are enriched for genetic variants associated with multiple immune diseases. Focusing on Crohn’s disease (CD), in which ILC3s are established mediators, we devised a Bayesian approach that incorporates multivariate fine-mapping to link CD-associated genetic variants with putative target genes. We identify known and previously unimplicated genes in conferring genetic risk of CD through activity in ILC3s. This includes the C LN3 gene that is mutated in most cases of the neurodegenerative disorder Batten disease. Using Cln3 mutant mice, we show that CLN3 is a putative negative regulator of IL-17 production in an inflammatory subset of ILC3s. This finding suggests a functional role for CLN3 in ILC3 biology, with mechanistic implications for Crohn’s and Batten diseases.

ABSTRACT Atopic dermatitis (AD) is one of the most common skin disorders in children. Disease etiology involves genetic and environmental factors, with the 29 independent AD risk loci enriched for risk allele-dependent gene expression in the skin and CD4+ T cell compartments. We investigated epigenetic mechanisms that may account for genetic susceptibility in CD4+ T cells. To understand gene regulatory activity differences in peripheral blood T cells in AD, we measured chromatin accessibility (ATAC-seq), NFKB1 binding (ChIP-seq), and gene expression (RNA-seq) in stimulated CD4+ T cells from subjects with active moderate-to-severe AD and age-matched, non-allergic controls. Open chromatin regions in stimulated CD4+ T cells were highly enriched for AD genetic risk variants, with almost half of AD risk loci overlapping with AD-dependent ATAC-seq peaks. AD-specific open chromatin regions were strongly enriched for NFκB DNA binding motifs. ChIP-seq identified hundreds of NFKB1-occupied genomic loci that were AD-specific or Control-specific. As expected, the AD-specific ChIP-seq peaks were strongly enriched for NFκB DNA binding motifs. Surprisingly, Control-specific NKFB1 ChIP-seq peaks were not enriched for NFKB1 motifs, instead containing motifs for other classes of human TFs, suggesting a mechanism involving altered indirect NFKB1 binding. Using DNA sequencing data, we identified 63 instances of genotype-dependent chromatin accessibility at 36 AD risk variants (30% of AD risk loci) that could lead to genotype-dependent expression at these loci. We propose that CD4+ T cells respond to stimulation in an AD-specific manner, resulting in disease and genotype-dependent chromatin accessibility involving NFKB binding. AUTHOR SUMMARY Stimulated CD4+ T cells from patients with atopic dermatitis have disease-dependent regulation of how gene expression is regulated. This regulation is disease dependent and the way the DNA is accessible and the transcription factor NFKB1 binds is enriched for genetic risk variants. Clinically, the CD4+ T cells in the peripheral blood of patients with AD respond to stimulation in a disease and genotype-dependent manner.

Human cytomegalovirus (HCMV) infects up to 80% of the world's population. Here, we show that HCMV infection leads to widespread changes in human chromatin accessibility and chromatin looping, with hundreds of thousands of genomic regions affected 48 hours after infection. Integrative analyses reveal HCMV-induced perturbation of Hippo signaling through drastic reduction of TEAD1 transcription factor activity. We confirm extensive concordant loss of TEAD1 binding, active H3K27ac histone marks, and chromatin looping interactions upon infection. Our data position TEAD1 at the top of a hierarchy involving multiple altered important developmental pathways. HCMV infection reduces TEAD1 activity through four distinct mechanisms: closing of TEAD1-bound chromatin, reduction of YAP1 and phosphorylated YAP1 levels, reduction of TEAD1 transcript and protein levels, and alteration of

Inter-cellular transmission of mRNA is being explored in mammalian species using immortal cell lines (1-3). Here, we uncover an inter-cellular mRNA transfer phenomenon that allows for the adaptation and reprogramming of human primed pluripotent stem cells (hPSCs). This process is induced by the direct cell contact-mediated coculture with mouse embryonic stem cells (mESCs) under the condition impermissible for human primed PSC culture. Mouse-derived mRNA contents are transmitted into adapted hPSCs only in the coculture. Transfer-specific mRNA analysis show the enrichment for divergent biological pathways involving transcription/translational machinery and stress-coping mechanisms, wherein such transfer is diminished when direct cell contacts are lost. After 5 days of mESC culture, surface marker analysis, and global gene profiling confirmed that mRNA transfer-prone hPSC efficiently gains a naïve-like state. Furthermore, transfer-specific knockdown experiments targeting mouse-specific transcription factor-coding mRNAs in hPSC show that mouse-derived

Inflammatory Bowel Disease (IBD) is a chronic and often debilitating autoinflammatory condition, with an increasing incidence in children. Standard-of-care therapies lead to sustained transmural healing and clinical remission in fewer than one-third of patients. For children, TNFα inhibition remains the only FDA-approved biologic therapy, providing an even greater urgency to understanding mechanisms of response. Genome-wide association studies (GWAS) have identified 418 independent genetic risk loci contributing to IBD, yet the majority are noncoding and their mechanisms of action are difficult to decipher. If causal, they likely alter transcription factor (TF) binding and downstream gene expression in particular cell types and contexts. To bridge this knowledge gap, we built a novel resource: multiome-seq (tandem single-nuclei (sn)RNA-seq and chromatin accessibility (snATAC)-seq) of intestinal tissue from pediatric IBD patients, where anti-TNF response was defined by endoscopic healing. From the snATAC-seq data, we generated a first-time atlas of chromatin accessibility (putative regulatory elements) for diverse intestinal cell types in the context of IBD. For cell types/contexts mediating genetic risk, we reasoned that accessible chromatin will co-localize with genetic disease risk loci. We systematically tested for significant co-localization of our chromatin accessibility maps and risk variants for 758 GWAS traits. Globally, genetic risk variants for IBD, autoimmune and inflammatory diseases are enriched in accessible chromatin of immune populations, while other traits (e.g., colorectal cancer, metabolic) are enriched in epithelial and stromal populations. This resource opens new avenues to uncover the complex molecular and cellular mechanisms mediating genetic disease risk.