Abstract Background Non-coding regulatory elements (NCREs), such as enhancers, play a crucial role in gene regulation and genetic aberrations in NCREs can lead to human disease, including brain disorders. The human brain is complex and can be affected by numerous disorders; many of these are caused by genetic changes, but a multitude remain currently unexplained. Understanding NCREs acting during brain development has the potential to shed light on previously unrecognised genetic causes of human brain disease. Despite immense community-wide efforts to understand the role of the non-coding genome and NCREs, annotating functional NCREs remains challenging. Results Here we performed an integrative computational analysis of virtually all currently available epigenome data sets related to human fetal brain. Our in-depth analysis unravels 39,709 differentially active enhancers (DAEs) that show dynamic epigenomic rearrangement during early stages of human brain development, indicating likely biological function. Many of these DAEs are linked to clinically relevant genes, and functional validation of selected DAEs in cell models and zebrafish confirms their role in gene regulation. Compared to enhancers without dynamic epigenomic rearrangement, these regions are subjected to higher sequence constraints in humans, have distinct sequence characteristics and are bound by a distinct transcription factor landscape. DAEs are enriched for GWAS loci for brain related traits and for genetic variation found in individuals with neurodevelopmental disorders, including autism. Conclusion Our compendium of high-confidence enhancers will assist in deciphering the mechanism behind developmental genetics of the human brain and will be relevant to uncover missing heritability in human genetic brain disorders.

Abstract Long interspersed element-1 (LINE-1 or L1) retrotransposons constitute the largest transposable element (TE) family in mammalian genomes and contribute prominently to inter- and intra-individual genetic variation. Although most L1 elements are inactive, some evolutionary younger elements remain intact and genetically competent for transcription and occasionally retrotransposition. Despite being generally more abundant in gene-poor regions, intact or full-length L1s (FL-L1) are also enriched around specific classes of genes and on the eutherian X chromosome. How proximal FL-L1 may affect nearby gene expression remains unclear. In this study, we aim to examine this in a systematic manner using engineered mouse embryonic stem cells (ESCs) where the expression of one representative active L1 subfamily is specifically perturbed. We found that ∼1,024 genes are misregulated following FL-L1 activation and to a lesser extent (∼81 genes), following their repression. In most cases (68%), misexpressed genes contain an intronic FL-L1 or lie near a FL-L1 (<260 kb). Gene ontology analysis shows that upon L1 activation, up-regulated genes are enriched for neuronal function-related terms, suggesting that some L1 elements may have evolved to control neuronal gene networks. These results illustrate the cis -regulatory impact of FL-L1 elements and suggest a broader role for L1s than originally anticipated.

Background: Eusociality is the highest level of social organization and naked mole-rats (NMR)s are amongst the few mammals showing this unique social behavior; nevertheless, little is known about the molecular mechanisms underlying the eusociality of NMRs. Results: Gene expression profiling of NMR brain and gonads (ovary and testis), from animals belonging to different reproductive castes, revealed robust gene expression differences between reproductive and non-reproductive members of NMR colonies. In the brain, dopaminergic pathways appear to be potential players in NMR eusocial behaviour. Breeding animals (queens and breeding males) showed increased expression of genes involved in dopamine metabolism. Using immunohistochemistry, we notably found these differences to be in dopaminergic hypothalamic areas, which provide inhibitory control over the secretion of prolactin, amongst other regions. Furthermore, plasma prolactin concentrations were elevated in many non-breeders (of both sexes), often reaching levels exceeding that of pregnant or lactating queens, suggesting a role for hyperprolactinaemia in socially-induced reproductive suppression. We also found that the ovaries of non-breeding females are arrested at pre-pubertal stage. They contained fewer supporting stromal cells compared to queens, and had very low expression of the aromatase gene Cyp19A1 (a key enzyme in estrogen synthesis) compared to non-breeding females. In the testes, genes involved in post meiosis spermatogenesis and sperm maturation (Prm1, Prm2, Odf3 and Akap4) were highly expressed in breeding males compared to non-breeders, explaining the low sperm number and impaired sperm motility characteristic of non-breeding males. Conclusions: Our study suggests that extreme reproductive skew, one of the defining features of eusociality, is associated with changes in expression of key components of dopamine pathways, which could lead to hypogonadism and a lifetime of socially-induced sterility for most NMRs.

ABSTRACT Cornelia de Lange syndrome (CdLS) is a rare developmental disorder caused by mutations in genes related to the cohesin complex. For its association with chromatin, cohesin depends on a heterodimer formed by NIPBL and MAU2, which interact via their respective N-termini. Variants in NIPBL are the main cause of CdLS and result in NIPBL haploinsufficiency. Using CRISPR, we generated cells homozygous for an out-of-frame duplication in NIPBL . Remarkably, alternative translation initiation rescued NIPBL expression in these cells and produced an N-terminally truncated NIPBL that lacks MAU2-interaction domain, causing a dramatic reduction of MAU2 protein levels. Strikingly, this protective mechanism allows nearly normal amounts of cohesin to be loaded onto chromatin in a manner that is independent of functional NIPBL/MAU2 complexes and therefore in contrast to previous findings. We also report the first pathogenic variant in MAU2 , a deletion of seven amino acids important for wrapping the N-terminus of NIPBL within MAU2. The mutation causes dramatic reduction of MAU2 heterodimerization with NIPBL, hence undermining the stability of both proteins. Our data confirm NIPBL haploinsufficiency as the major pathogenic mechanism of CdLS and give new insights into the molecular mechanisms responsible for this neurodevelopmental disorder. Our work also unveils an alternative translation-based mechanism that protects cells from out-of-frame variants of NIPBL and that may be of relevance in other genetic conditions.

Quiescence is essential for the long-term maintenance of adult stem cells and tissue homeostasis. However, how stem cells maintain quiescence is still poorly understood. Here we show that stem cells in the dentate gyrus of the adult hippocampus actively transcribe the pro-activation factor Ascl1 regardless of their activation state. We found that the inhibitor of DNA binding protein Id4 suppresses Ascl1 activity in neural stem cell cultures. Id4 sequesters Ascl1 heterodimerisation partner E47, promoting Ascl1 protein degradation and neural stem cell quiescence. Accordingly, elimination of Id4 from stem cells in the adult hippocampus results in abnormal accumulation of Ascl1 protein and premature stem cell activation. We also found that multiple signalling pathways converge on the regulation of Id4 to reduce the activity of hippocampal stem cells. Id4 therefore maintains quiescence of adult neural stem cells, in sharp contrast with its role of promoting the proliferation of embryonic neural progenitors.

Abstract Cell state changes in development and disease are controlled by gene regulatory networks, the dynamics of which are difficult to track in real time. Here, we utilize an inducible DCM-RNA-polymerase-subunit-b fusion protein, to label active genes and enhancers with a bacterial methylation mark that does not affect gene transcription and is propagated in S-phase. We applied this DCM-time-machine (DCM-TM) technology to study intestinal homeostasis, following enterocyte differentiation back in time, revealing rapid and simultaneous activation of enhancers and nearby genes during intestinal stem cell (ISC) differentiation. We provide new insights in the absorptive-secretory lineage decision in ISC differentiation, and show that ISCs retain a unique chromatin landscape required to maintain ISC identity and delineate future expression of differentiation associated genes. DCM-TM has wide applicability in tracking cell states, providing new insights in the regulatory networks underlying cell state changes in development and differentiation.