The western clawed frog Xenopus tropicalis is an important model for vertebrate development that combines experimental advantages of the African clawed frog Xenopus laevis with more tractable genetics. Here we present a draft genome sequence assembly of X. tropicalis. This genome encodes more than 20,000 protein-coding genes, including orthologs of at least 1700 human disease genes. Over 1 million expressed sequence tags validated the annotation. More than one-third of the genome consists of transposable elements, with unusually prevalent DNA transposons. Like that of other tetrapods, the genome of X. tropicalis contains gene deserts enriched for conserved noncoding elements. The genome exhibits substantial shared synteny with human and chicken over major parts of large chromosomes, broken by lineage-specific chromosome fusions and fissions, mainly in the mammalian lineage.

The mammalian telencephalon plays critical roles in cognition, motor function, and emotion. Though many of the genes required for its development have been identified, the distant-acting regulatory sequences orchestrating their in vivo expression are mostly unknown. Here, we describe a digital atlas of in vivo enhancers active in subregions of the developing telencephalon. We identified more than 4,600 candidate embryonic forebrain enhancers and studied the in vivo activity of 329 of these sequences in transgenic mouse embryos. We generated serial sets of histological brain sections for 145 reproducible forebrain enhancers, resulting in a publicly accessible web-based data collection comprising more than 32,000 sections. We also used epigenomic analysis of human and mouse cortex tissue to directly compare the genome-wide enhancer architecture in these species. These data provide a primary resource for investigating gene regulatory mechanisms of telencephalon development and enable studies of the role of distant-acting enhancers in neurodevelopmental disorders.

Nadav Ahituv and colleagues use a massively parallel reporter assay to test 4,970 synthetic regulatory element sequences, containing patterns of 12 known liver transcription factor binding sites, in mice and in HepG2 cells. They systematically test the impact of binding site copy number, spacing, combination and order on gene expression. Despite continual progress in the cataloging of vertebrate regulatory elements, little is known about their organization and regulatory architecture. Here we describe a massively parallel experiment to systematically test the impact of copy number, spacing, combination and order of transcription factor binding sites on gene expression. A complex library of ∼5,000 synthetic regulatory elements containing patterns from 12 liver-specific transcription factor binding sites was assayed in mice and in HepG2 cells. We find that certain transcription factors act as direct drivers of gene expression in homotypic clusters of binding sites, independent of spacing between sites, whereas others function only synergistically. Heterotypic enhancers are stronger than their homotypic analogs and favor specific transcription factor binding site combinations, mimicking putative native enhancers. Exhaustive testing of binding site permutations suggests that there is flexibility in binding site order. Our findings provide quantitative support for a flexible model of regulatory element activity and suggest a framework for the design of synthetic tissue-specific enhancers.

Many regulatory networks involve (possibly partially) redundant cis-regulatory elements. These elements are commonly referred to as shadow enhancers and have been assumed to mainly originate by sequence duplication. An alternative mechanism that has not been examined involves the independent exaptation of transposons. Here, we identified 2,117 and 2,787 pairs of shadow enhancers in the human and mouse genomes, respectively, and found that 34% and 18% of these pairs derive from transposons. Moreover, we show that virtually all the enhancer partners of these transposon-derived shadow enhancer pairs are independent exaptations from different transposon types and hypothesize that the increase in the expression and tissue-specificity of their targets as compared to those of non-shadow enhancers facilitates their fixation in the genome. Finally, we provide evidence that the regulatory redundancy observed in many mammalian regulatory networks is predominantly driven by convergent evolution, since shadow enhancers are hardly ever conserved across species.

ABSTRACT Standard ChIP-seq and RNA-seq processing pipelines typically disregard sequencing reads whose origin is ambiguous (“multimappers”). This usual practice has potentially important consequences for the functional interpretation of the data: genomic elements belonging to clusters composed of highly similar members are left unexplored. In particular, disregarding multimappers leads to the systematic underrepresentation in epigenetic studies of recently active transposons, such as AluYa5 and L1HS. Furthermore, this common strategy also has implications for transcriptomic analysis: members of repetitive gene families, such the ones including major histocompatibility complex (MHC) class I and II genes, are systematically underquantified. Based on these findings, we strongly advocate for the implementation of multimapper-aware bioinformatic genomic analyses.

Abstract Hi-C and micro-C sequencing have shed light on the profound importance of 3D genome organization in cellular function by probing 3D contact frequencies across the linear genome. The resulting contact matrices are extremely sparse and susceptible to technical- and sequence-based biases, making their comparison challenging. The development of reliable, robust and efficient methods for quantifying similarity between contact matrix is crucial for investigating variations in the 3D genome organization between different cell types or under different conditions, as well as evaluating experimental reproducibility. We present a novel method, ENT3C, which measures the change in pattern complexity in the vicinity of contact matrix diagonals to quantify their similarity. ENT3C provides a robust, user-friendly Hi-C or micro-C contact matrix similarity metric and a characteristic entropy signal that can be used to gain detailed biological insights into 3D genome organization. Availability https://github.com/xX3N1A/ENT3C

Abstract A key problem in development is to understand how genes turn on or off at the right place and right time during embryogenesis. Such decisions are made by non-coding sequences called ‘enhancers’. Much of our models of how enhancers work rely on the assumption that genes are activated de novo as stable domains across embryonic tissues. Such view has been strengthened by the intensive landmark studies of the early patterning of the anterior-posterior (AP) axis of the Drosophila embryo, where indeed gene expression domains seem to arise more or less stably. However, careful analysis of gene expressions in other model systems (including the AP patterning in vertebrates and short-germ insects like the beetle Tribolium castaneum ) painted a different, very dynamic view of gene regulation, where genes are oftentimes expressed in a wavelike fashion. How such gene expression waves are mediated at the enhancer level is so far unclear. Here we establish the AP patterning of the short-germ beetle Tribolium as a model system to study dynamic and temporal pattern formation at the enhancer level. To that end, we established an enhancer prediction system in Tribolium based on time- and tissue-specific ATAC-seq and an enhancer live reporter system based on MS2 tagging. Using this experimental framework, we discovered several Tribolium enhancers, and assessed the spatiotemporal activities of some of them in live embryos. We found our data consistent with a model in which the timing of gene expression during embryonic pattern formation is mediated by a balancing act between enhancers that induce rapid changes in gene expressions (that we call ‘dynamic enhancers’) and enhancers that stabilizes gene expressions (that we call ‘static enhancers’).

3D genome architecture is characterized by multi-scale patterns and plays an essential role in gene regulation. Chromatin conformation capturing experiments have revealed many properties underlying 3D genome architecture such as the compartmentalization of chromatin based on transcriptional states. However, they are complex, costly, and time consuming, and therefore only a limited number of cell types have been examined using these techniques. Increasing effort is being directed towards deriving computational methods that can predict chromatin conformation and associated structures. Here we present DNA-DDA, a purely sequence-based method based on chaos theory to predict genome-wide A and B compartments. We show that DNA-DDA models derived from a 20 Mb sequence are sufficient to predict genome wide compartmentalization at the scale of 100 kb in four different cell types. Although this is a proof-of-concept study, our method shows promise in elucidating the mechanisms responsible for genome folding as well as modeling the impact of genetic variation on 3D genome architecture and the processes regulated thereby.

The human genome is organized into topologically associating domains (TADs), which represent contiguous regions with a higher frequency of intra-interactions as opposed to inter-interactions. TADs contribute to gene expression regulation by restricting interactions between regulatory elements, and their disruption by genomic rearrangements can result in altered gene expression and, ultimately, in cancer. Here, we provide a proof-of-principle that mutations within TADs can be used to predict the survival of cancer patients. For this purpose, we first constructed a set of 1,467 TADs representing the three-dimensional organization of genome across 24 normal human tissues. We then used Cox regression analysis to assess the prognostic value of the TADs in different cancer types, and identified a total of 35 TADs that were prognostic for at least one of nine cancer types. Interestingly, only 46% of the prognostic TADs comprised one or more genes with a known causal association with cancer. Moreover, for those TADs encompassing such a gene, the prognostic effect of the TAD was only directed related to the presence/absence of mutations in the gene in 13% of the cases. These observations indicate that the predictive power of a large proportion of the prognostic TADs is independent of whether pan-cancer genes are mutated or not. Furthermore, 34% of the 35 prognostic TADs showed strong structural perturbations in the cancer genome, which might mediate cancer development and progression. This study has important implications for the interpretation of cancer-related non-coding mutations and offer insights to new strategies for personalizing cancer medicine.

ABSTRACT Background Homeodomain (HD) transcription factor (TF) NKX2-1 critical for the regional specification of the medial ganglionic eminence (MGE) as well as promoting the GABAergic and cholinergic neuron fates via the induction of TFs such as LHX6 and LHX8. NKX2-1 defines MGE regional identity in large part through transcriptional repression, while specification and maturation of GABAergic and cholinergic fates is mediated in part by transcriptional activation via TFs such as LHX6 and LHX8. Here we analyze the signaling and TF pathways, downstream of NKX2-1, required for GABAergic and cholinergic neuron fate maturation. Methods Differential ChIP-seq analysis was used to identify regulatory elements (REs) where chromatin state was sensitive to change in the Nkx2-1 cKO MGE at embryonic day (E) 13.5. TF motifs in the REs were identified using RSAT. CRISPR-mediated genome editing was used to generate enhancer knockouts. Differential gene expression in these knockouts was analyzed through RT-qPCR and in situ hybridization. Functional analysis of motifs within hs623 was analyzed via site directed mutagenesis and reporter assays in primary MGE cultures. Results We identified 4782 activating REs (aREs) and 6391 repressing REs (rREs) in the Nkx2-1 conditional knockout ( Nkx2-1 cKO) MGE. aREs are associated with basic-Helix-Loop-Helix (bHLH) TFs. Deletion of hs623, an intragenic Tcf12 aRE, caused a reduction of Tcf12 expression in the sub-ventricular zone (SVZ) and mantle zone (MZ) of the MGE. Mutation of LHX, SOX and octamers, within hs623, caused a reduction of hs623 activity in MGE primary cultures. Conclusions Tcf12 expression in the sub-ventricular zone (SVZ) of the MGE is mediated through aRE hs623. The activity of hs623 is dependent on LHX6, SOX and octamers. Thus, maintaining the expression of Tcf12 in the SVZ involves on TF pathways parallel and genetically downstream of NKX2-1.