Mapping the chromosomal locations of transcription factors, nucleosomes, histone modifications, chromatin remodeling enzymes, chaperones, and polymerases is one of the key tasks of modern biology, as evidenced by the Encyclopedia of DNA Elements (ENCODE) Project. To this end, chromatin immunoprecipitation followed by high-throughput sequencing (ChIP-seq) is the standard methodology. Mapping such protein-DNA interactions in vivo using ChIP-seq presents multiple challenges not only in sample preparation and sequencing but also for computational analysis. Here, we present step-by-step guidelines for the computational analysis of ChIP-seq data. We address all the major steps in the analysis of ChIP-seq data: sequencing depth selection, quality checking, mapping, data normalization, assessment of reproducibility, peak calling, differential binding analysis, controlling the false discovery rate, peak annotation, visualization, and motif analysis. At each step in our guidelines we discuss some of the software tools most frequently used. We also highlight the challenges and problems associated with each step in ChIP-seq data analysis. We present a concise workflow for the analysis of ChIP-seq data in Figure 1 that complements and expands on the recommendations of the ENCODE and modENCODE projects. Each step in the workflow is described in detail in the following sections.

Abstract Background Tumors are complex tissues containing collections of phenotypically diverse malignant and nonmalignant cells. We know little of the mechanisms that govern heterogeneity of tumor cells nor of the role heterogeneity plays in overcoming stresses, such as adaptation to different microenvironments. Osteosarcoma is an ideal model for studying these mechanisms—it exhibits widespread inter- and intra-tumoral heterogeneity, predictable patterns of metastasis, and a lack of clear targetable driver mutations. Understanding the processes that facilitate adaptation to primary and metastatic microenvironments could inform the development of therapeutic targeting strategies. Results We investigated single-cell RNA-sequencing profiles of 47,977 cells obtained from cell line and patient-derived xenograft models as cells adapted to growth within primary bone and metastatic lung environments. Tumor cells maintained phenotypic heterogeneity as they responded to the selective pressures imposed during bone and lung colonization. Heterogenous subsets of cells defined by distinct transcriptional profiles were maintained within bone- and lung-colonizing tumors, despite high-level selection. One prominent heterogenous feature involving glucose metabolism was clearly validated using immunofluorescence staining. Finally, using concurrent lineage tracing and single-cell transcriptomics, we found that lung colonization enriches for multiple clones with distinct transcriptional profiles that are preserved across cellular generations. Conclusions Response to environmental stressors occurs through complex and dynamic phenotypic adaptations. Heterogeneity is maintained, even in conditions that enforce clonal selection. These findings likely reflect the influences of developmental processes promoting diversification of tumor cell subpopulations, which are retained, even in the face of selective pressures.

Abstract Expression of the fusion oncoprotein EWS/FLI causes Ewing sarcoma, an aggressive pediatric tumor characterized by widespread epigenetic deregulation. These epigenetic changes are targeted by novel lysine specific demethylase-1 (LSD1) inhibitors, which are currently in early phase clinical trials. Single agent targeted therapy often induces resistance, and successful clinical development requires knowledge of resistance mechanisms, enabling the design of effective combination strategies. Here, we used a genome-scale CRISPR-Cas9 loss-of-function screen to identify genes whose knockout (KO) conferred resistance to the LSD1 inhibitor SP- 2509 in Ewing sarcoma cell lines. Multiple genes required for mitochondrial electron transport chain (ETC) complexes III and IV function were hits in our screen. We validated this finding using genetic and chemical approaches including CRISPR KO, ETC inhibitors, and mitochondrial depletion. Further global transcriptional profiling revealed that altered complex III/IV function disrupted the oncogenic program mediated by EWS/FLI and LSD1 and blunted the transcriptomic response to SP-2509. These findings demonstrate that mitochondrial dysfunction modulates SP-2509 efficacy and suggest that new therapeutic strategies combining LSD1 with agents which prevent mitochondrial dysfunction may benefit patients with this aggressive malignancy.

Abstract Background Ewing sarcoma is an aggressive bone cancer in children and young adults that contains a pathognomonic chromosomal translocation: t(11;22)(q24;q12). The encoded protein, EWS/FLI, fuses the low-complexity amino-terminal portion of EWS to the carboxyl-terminus of FLI. The FLI portion contains an ETS DNA-binding domain and adjacent amino- and carboxyl-regions. Early studies using non-Ewing sarcoma cellular models provided conflicting information on the role of these adjacent regions in the oncogenic function of EWS/FLI. We therefore sought to define the specific contributions of each FLI region to EWS/FLI activity in an appropriate Ewing model, and in doing so, to better understand Ewing sarcoma development mediated by the fusion protein. Methods We used a “knock-down/rescue” system to replace endogenous EWS/FLI expression with mutant forms of the protein in Ewing sarcoma cells and tested these for oncogenic transformation using soft-agar colony forming assays. These data were complemented by DNA-binding assays using fluorescence anisotropy, genomic localization assays using CUT&RUN, transcriptional regulation studies using luciferase reporter assays and RNA-sequencing, as well as chromatin accessibility assays using ATAC-sequencing. Results We found that the DNA-binding domain and short flanking regions of FLI were required for oncogenic transformation, gene expression, genomic localization and chromatin accessibility when fused to the amino-terminal EWS-portion from EWS/FLI, but that the remaining regions of FLI were dispensable for these functions. Removal of a carboxyl-terminal alpha-helix from the short flanking regions of the DNA-binding domain of FLI created a hypomorphic EWS/FLI that retained normal DNA binding, genomic localization, and chromatin accessibility, but had significantly restricted transcriptional activity and a near total loss of oncogenic transformational capacity. Conclusions The DNA-binding domain and carboxyl-terminal short flanking region of FLI are the only portions of FLI required for EWS/FLI-mediated oncogenic transformation in a Ewing sarcoma cellular context. In addition to the well-defined DNA-binding function of FLI, this additional alpha-helix immediately downstream of the DNA-binding domain contributes a previously-undescribed function in gene regulation and oncogenic transformation. Understanding the function of this critical region could provide new therapeutic opportunities to target EWS/FLI in Ewing sarcoma.

Abstract The EWS-FLI1 fusion protein drives oncogenesis in the Ewing sarcoma family of tumors (ESFT) in humans, but its toxicity in normal cells requires additional cellular events for oncogenesis. We show that the lncRNA HOTAIR maintains cell viability in the presence of EWS-FLI1 and redirects epigenetic regulation in ESFT. HOTAIR is consistently overexpressed in ESFTs and is not driven by EWS-FLI1. Repression of HOTAIR in ESFT cell lines significantly reduces anchorage-independent colony formation in vitro and impairs tumor xenograft growth in vivo. Overexpression of HOTAIR in human mesenchymal stem cells (hMSCs), a putative cell of origin of ESFT, and IMR90 cells induces colony formation. Critically, HOTAIR-expressing hMSCs and IMR90 cells remain viable with subsequent EWS-FLI1 expression. HOTAIR induces histone modifications and gene repression through interaction with the epigenetic modifier LSD1 in ESFT cell lines and hTERT-hMSCs. Our findings suggest that HOTAIR maintains ESFT viability through epigenetic dysregulation. Significance While the EWS-FLI1 fusion gene was determined to be the oncogenic driver in the overwhelming majority of ESFT, it is toxic to cell physiology and requires one or more additional molecular events to maintain cell viability. As these tumors have surprisingly few genetic mutations at diagnosis, epigenetic changes have been considered to be such an event, but the mechanism by which these changes are driven remains unclear. Our work shows that HOTAIR is consistently expressed among ESFT and induces epigenetic and gene expression changes that cooperate in tumorigenesis. Furthermore, expression of HOTAIR allows for cell viability in the setting of subsequent EWS-FLI1 expression. Our findings elucidate new steps of malignant transformation in this cancer and identify novel therapeutic targets.

ABSTRACT Pediatric cancers commonly harbor quiet mutational landscapes and are instead characterized by single driver events such as the mutation of critical chromatin regulators, expression of oncohistones, or expression of oncogenic fusion proteins. These events ultimately promote malignancy through disruption of normal gene regulation and development. The driver protein in Ewing sarcoma, EWS/FLI, is an oncogenic fusion and transcription factor that reshapes the enhancer landscape, resulting in widespread transcriptional dysregulation. Lysine-specific demethylase 1 (LSD1) is a critical functional partner for EWS/FLI as inhibition of LSD1 reverses the transcriptional activity of EWS/FLI. However, how LSD1 participates in fusion-directed epigenomic regulation and aberrant gene activation is unknown. We now show EWS/FLI causes dynamic rearrangement of LSD1 and we uncover a role for LSD1 in gene activation through colocalization at EWS/FLI binding sites throughout the genome. LSD1 is integral to the establishment of Ewing sarcoma super-enhancers at GGAA-microsatellites, which ubiquitously overlap non-microsatellite loci bound by EWS/FLI. Together, we show that EWS/FLI induces widespread changes to LSD1 distribution in a process that impacts the enhancer landscape throughout the genome.

ABSTRACT Ewing sarcoma is a prototypical fusion transcription factor-associated pediatric cancer that expresses EWS/FLI or highly related fusions. EWS/FLI dysregulates transcription to induce and maintain sarcomagenesis, but the mechanisms utilized are not fully understood. We therefore sought to define the global effects of EWS/FLI on chromatin conformation and transcription in Ewing sarcoma. We found that EWS/FLI (and EWS/ERG) genomic localization is largely conserved across multiple patient-derived Ewing sarcoma cell lines. EWS/FLI binding is primarily associated with compartment activation, establishment of topologically-associated domain (TAD) boundaries, enhancer-promoter looping that involve both intra- and inter-TAD interactions, and gene activation. Importantly, local chromatin features provide the basis for transcriptional heterogeneity in regulation of direct EWS/FLI target genes across different Ewing sarcoma cell lines. These data demonstrate a key role of EWS/FLI in mediating genome-wide changes in chromatin configuration and support the notion that fusion transcription factors serve as master regulators through three-dimensional reprogramming of chromatin.

Ewing sarcoma is the second most common bone cancer in children and young adults. In 85% of patients, a translocation between chromosomes 11 and 22 results in a potent fusion oncoprotein, EWSR1::FLI1. EWSR1::FLI1 is the only genetic alteration in an otherwise unaltered genome of Ewing sarcoma tumors. The EWSR1 portion of the protein is an intrinsically disordered domain involved in transcriptional regulation by EWSR1::FLI1. The FLI portion of the fusion contains a DNA binding domain shown to bind core GGAA motifs and GGAA repeats. A small alpha-helix in the DNA binding domain of FLI1, DBD-𝛼4 helix, is critical for the transcription function of EWSR1::FLI1. In this study, we aimed to understand the mechanism by which the DBD-𝛼4 helix promotes transcription, and therefore oncogenic transformation. We utilized a multi-omics approach to assess chromatin organization, active chromatinmarks, genome binding, and gene expression in cells expressing EWSR1::FLI1 constructs with and without the DBD-𝛼4 helix. Our studies revealed DBD-𝛼4 helix is crucial for cooperative binding of EWSR1::FLI1 at GGAA microsatellites. This binding underlies many aspects of genome regulation by EWSR1::FLI1 such as formation of TADs, chromatin loops, enhancers and productive transcription hubs.

We report a universal strategy for 2D chromatin sequencing, to increase uniform data analyses and sharing across labs, and to facilitate highly quantitative comparisons across experimental conditions. Within our system, we provide wetlab and drylab tools for researchers to establish and analyze protein-genome binding data with PerCell ChIP-seq. Our methodology is virtually no cost and flexible, enabling rapid, quantitative, internally normalized chromatin sequencing to catalyze project development in a variety of systems, including in vivo zebrafish epigenomics and cancer cell epigenomics. While we highlight utility in these key areas, our methodology is flexible enough such that rapid comparisons of cellular spike-in versus non spike-in are possible, and generalizability to nuclease-based 2D chromatin sequencing would also be possible within the framework of our pipeline. Through the use of well-defined cellular ratios containing orthologous species' chromatin, we enable cross-species comparative epigenomics and highly quantitative low-cost chromatin sequencing with utility across a range of disciplines.

Abstract Fusion-positive rhabdomyosarcoma is an aggressive pediatric cancer molecularly characterized by arrested myogenesis. The defining genetic driver, PAX3::FOXO1, functions as a chimeric gain-of-function transcription factor. An incomplete understanding of PAX3::FOXO1’s in vivo epigenetic mechanisms has hindered therapeutic development. Here, we establish a PAX3::FOXO1 zebrafish injection model and semi-automated ChIP-seq normalization strategy to evaluate how PAX3::FOXO1 initially interfaces with chromatin in a developmental context. We investigated PAX3::FOXO1’s recognition of chromatin and subsequent transcriptional consequences. We find that PAX3::FOXO1 interacts with inaccessible chromatin through partial/homeobox motif recognition consistent with pioneering activity. However, PAX3::FOXO1-genome binding through a composite paired-box/homeobox motif alters chromatin accessibility and redistributes H3K27ac to activate neural transcriptional programs. We uncover neural signatures that are highly representative of clinical rhabdomyosarcoma gene expression programs that are enriched following chemotherapy. Overall, we identify partial/homeobox motif recognition as a new mode for PAX3::FOXO1 pioneer function and identify neural signatures as a potentially critical PAX3::FOXO1 tumor initiation event.