The development of cancer is intimately associated with genetic abnormalities that target proteins with intrinsically disordered regions (IDRs). In human haematological malignancies, recurrent chromosomal translocation of nucleoporin (NUP98 or NUP214) generates an aberrant chimera that invariably retains the nucleoporin IDR—tandemly dispersed repeats of phenylalanine and glycine residues1,2. However, how unstructured IDRs contribute to oncogenesis remains unclear. Here we show that IDRs contained within NUP98–HOXA9, a homeodomain-containing transcription factor chimera recurrently detected in leukaemias1,2, are essential for establishing liquid–liquid phase separation (LLPS) puncta of chimera and for inducing leukaemic transformation. Notably, LLPS of NUP98–HOXA9 not only promotes chromatin occupancy of chimera transcription factors, but also is required for the formation of a broad ‘super-enhancer’-like binding pattern typically seen at leukaemogenic genes, which potentiates transcriptional activation. An artificial HOX chimera, created by replacing the phenylalanine and glycine repeats of NUP98 with an unrelated LLPS-forming IDR of the FUS protein3,4, had similar enhancing effects on the genome-wide binding and target gene activation of the chimera. Deeply sequenced Hi-C revealed that phase-separated NUP98–HOXA9 induces CTCF-independent chromatin loops that are enriched at proto-oncogenes. Together, this report describes a proof-of-principle example in which cancer acquires mutation to establish oncogenic transcription factor condensates via phase separation, which simultaneously enhances their genomic targeting and induces organization of aberrant three-dimensional chromatin structure during tumourous transformation. As LLPS-competent molecules are frequently implicated in diseases1,2,4–7, this mechanism can potentially be generalized to many malignant and pathological settings. The NUP98–HOXA9 oncogenic fusion protein found in leukaemia undergoes phase separation in the nucleus, which helps to promote activation of leukaemic genes and to establish aberrant chromatin looping.

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

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.

Amyotrophic lateral sclerosis is the most common fatal motor neuron disease. Approximately 90% of ALS patients exhibit pathology of the master RNA regulator, Transactive Response DNA Binding protein (TDP-43). Despite the prevalence TDP-43 pathology in ALS motor neurons, recent findings suggest immune dysfunction is a determinant of disease progression in patients. Whether TDP-43 pathology elicits disease-modifying immune responses in ALS remains underexplored. In this study, we demonstrate that TDP-43 pathology is internalized by antigen presenting cells, causes vesicle rupture, and leads to innate and adaptive immune cell activation. Using a multiplex imaging platform, we observed interactions between innate and adaptive immune cells near TDP-43 pathological lesions in ALS brain. We used a mass cytometry-based whole-blood stimulation assay to provide evidence that ALS patient peripheral immune cells exhibit responses to TDP-43 aggregates. Taken together, this study provides a novel link between TDP-43 pathology and ALS immune dysfunction, and further highlights the translational and diagnostic implications of monitoring and manipulating the ALS immune response.

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.