Despite progress in defining genetic risk for psychiatric disorders, their molecular mechanisms remain elusive. Addressing this, the PsychENCODE Consortium has generated a comprehensive online resource for the adult brain across 1866 individuals. The PsychENCODE resource contains ~79,000 brain-active enhancers, sets of Hi-C linkages, and topologically associating domains; single-cell expression profiles for many cell types; expression quantitative-trait loci (QTLs); and further QTLs associated with chromatin, splicing, and cell-type proportions. Integration shows that varying cell-type proportions largely account for the cross-population variation in expression (with >88% reconstruction accuracy). It also allows building of a gene regulatory network, linking genome-wide association study variants to genes (e.g., 321 for schizophrenia). We embed this network into an interpretable deep-learning model, which improves disease prediction by ~6-fold versus polygenic risk scores and identifies key genes and pathways in psychiatric disorders.

INTRODUCTION The human cerebral cortex has undergone an extraordinary increase in size and complexity during mammalian evolution. Cortical cell lineages are specified in the embryo, and genetic and epidemiological evidence implicates early cortical development in the etiology of neuropsychiatric disorders such as autism spectrum disorder (ASD), intellectual disabilities, and schizophrenia. Most of the disease-implicated genomic variants are located outside of genes, and the interpretation of noncoding mutations is lagging behind owing to limited annotation of functional elements in the noncoding genome. RATIONALE We set out to discover gene-regulatory elements and chart their dynamic activity during prenatal human cortical development, focusing on enhancers, which carry most of the weight upon regulation of gene expression. We longitudinally modeled human brain development using human induced pluripotent stem cell (hiPSC)–derived cortical organoids and compared organoids to isogenic fetal brain tissue. RESULTS Fetal fibroblast–derived hiPSC lines were used to generate cortically patterned organoids and to compare oganoids’ epigenome and transcriptome to that of isogenic fetal brains and external datasets. Organoids model cortical development between 5 and 16 postconception weeks, thus enabling us to study transitions from cortical stem cells to progenitors to early neurons. The greatest changes occur at the transition from stem cells to progenitors. The regulatory landscape encompasses a total set of 96,375 enhancers linked to target genes, with 49,640 enhancers being active in organoids but not in mid-fetal brain, suggesting major roles in cortical neuron specification. Enhancers that gained activity in the human lineage are active in the earliest stages of organoid development, when they target genes that regulate the growth of radial glial cells. Parallel weighted gene coexpression network analysis (WGCNA) of transcriptome and enhancer activities defined a number of modules of coexpressed genes and coactive enhancers, following just six and four global temporal patterns that we refer to as supermodules, likely reflecting fundamental programs in embryonic and fetal brain. Correlations between gene expression and enhancer activity allowed stratifying enhancers into two categories: activating regulators (A-regs) and repressive regulators (R-regs). Several enhancer modules converged with gene modules, suggesting that coexpressed genes are regulated by enhancers with correlated patterns of activity. Furthermore, enhancers active in organoids and fetal brains were enriched for ASD de novo variants that disrupt binding sites of homeodomain, Hes1, NR4A2, Sox3, and NFIX transcription factors. CONCLUSION We validated hiPSC-derived cortical organoids as a suitable model system for studying gene regulation in human embryonic brain development, evolution, and disease. Our results suggest that organoids may reveal how noncoding mutations contribute to ASD etiology. Summary of the study, analyses, and main results. Data were generated for iPSC-derived human telencephalic organoids and isogenic fetal cortex. Organoids modeled embryonic and early fetal cortex and show a larger repertoire of enhancers. Enhancers could be divided into activators and repressors of gene expression. We derived networks of modules and supermodules with correlated gene and enhancer activities, some of which were implicated in autism spectrum disorders (ASD).

ABSTRACT Understanding how genetic variants impact molecular phenotypes is a key goal of functional genomics, currently hindered by reliance on a single haploid reference genome. Here, we present the EN-TEx resource of personal epigenomes, for ∼25 tissues and >10 assays in four donors (>1500 open-access functional genomic and proteomic datasets, in total). Each dataset is mapped to a matched, diploid personal genome, which has long-read phasing and structural variants. The mappings enable us to identify >1 million loci with allele-specific behavior. These loci exhibit coordinated epigenetic activity along haplotypes and less conservation than matched, non-allele-specific loci, in a fashion broadly paralleling tissue-specificity. Surprisingly, they can be accurately modelled just based on local nucleotide-sequence context. Combining EN-TEx with existing genome annotations reveals strong associations between allele-specific and GWAS loci and enables models for transferring known eQTLs to difficult-to-profile tissues. Overall, EN-TEx provides rich data and generalizable models for more accurate personal functional genomics.

ENCODE comprises thousands of functional genomics datasets, and the encyclopedia covers hundreds of cell types, providing a universal annotation for genome interpretation. However, for particular applications, it may be advantageous to use a customized annotation. Here, we develop such a custom annotation by leveraging advanced assays, such as eCLIP, Hi-C, and whole-genome STARR-seq on a number of data-rich ENCODE cell types. A key aspect of this annotation is comprehensive and experimentally derived networks of both transcription factors and RNA-binding proteins (TFs and RBPs). Cancer, a disease of system-wide dysregulation, is an ideal application for such a network-based annotation. Specifically, for cancer-associated cell types, we put regulators into hierarchies and measure their network change (rewiring) during oncogenesis. We also extensively survey TF-RBP crosstalk, highlighting how SUB1, a previously uncharacterized RBP, drives aberrant tumor expression and amplifies the effect of MYC, a well-known oncogenic TF. Furthermore, we show how our annotation allows us to place oncogenic transformations in the context of a broad cell space; here, many normal-to-tumor transitions move towards a stem-like state, while oncogene knockdowns show an opposing trend. Finally, we organize the resource into a coherent workflow to prioritize key elements and variants, in addition to regulators. We showcase the application of this prioritization to somatic burdening, cancer differential expression and GWAS. Targeted validations of the prioritized regulators, elements and variants using siRNA knockdowns, CRISPR-based editing, and luciferase assays demonstrate the value of the ENCODE resource.

The mechanical properties of tissues, which are determined primarily by their extracellular matrix (ECM), are largely stable over time despite continual turnover of ECM constituents. These observations imply active homeostasis, where cells sense and adjust rates of matrix synthesis, assembly and degradation to keep matrix and tissue properties within the optimal range. However, the regulatory pathways that mediate this process are essentially unknown. Genome-wide analyses of endothelial cells revealed abundant microRNA-mediated regulation of cytoskeletal, adhesive and extracellular matrix (CAM) mRNAs. High-throughput assays showed co-transcriptional regulation of microRNA and CAM genes on stiff substrates, which buffers CAM expression. Disruption of global or individual microRNA-dependent suppression of CAM genes induced hyper-adhesive, hyper-contractile phenotypes in multiple systems in vitro, and increased tissue stiffness in the zebrafish fin-fold during homeostasis and regeneration in vivo. Thus, a network of microRNAs and CAM mRNAs mediate tissue mechanical homeostasis.

Enhancers are important noncoding elements, but they have been traditionally hard to characterize experimentally. Only a few mammalian enhancers have been validated, making it difficult to train statistical models for their identification properly. Instead, postulated patterns of genomic features have been used heuristically for identification. The development of massively parallel assays allows for the characterization of large numbers of enhancers for the first time. Here, we developed a framework that uses Drosophila STARR-seq data to create shape-matching filters based on enhancer-associated meta-profiles of epigenetic features. We combined these features with supervised machine learning algorithms (e.g., support vector machines) to predict enhancers. We demonstrated that our model could be applied to predict enhancers in mammalian species (i.e., mouse and human). We comprehensively validated the predictions using a combination of in vivo and in vitro approaches, involving transgenic assays in mouse and transduction-based reporter assays in human cell lines. Overall, the validations involved 153 enhancers in 6 mouse tissues and 4 human cell lines. The results confirmed that our model can accurately predict enhancers in different species without re-parameterization. Finally, we examined the transcription-factor binding patterns at predicted enhancers and promoters in human cell lines. We demonstrated that these patterns enable the construction of a secondary model effectively discriminating between enhancers and promoters.

Genome-wide association studies (GWAS) and expression analyses implicate noncoding regulatory regions as harboring risk factors for psychiatric disease, but functional characterization of these regions remains limited. We performed capture STARR-sequencing of over 78,000 candidate regions to identify active enhancers in primary human neural progenitor cells (phNPCs). We selected candidate regions by integrating data from NPCs, prefrontal cortex, developmental timepoints, and GWAS. Over 8,000 regions demonstrated enhancer activity in the phNPCs, and we linked these regions to over 2,200 predicted target genes. These genes are involved in neuronal and psychiatric disease-associated pathways, including dopaminergic synapse, axon guidance, and schizophrenia. We functionally validated a subset of these enhancers using mutation STARR-sequencing and CRISPR deletions, demonstrating the effects of genetic variation on enhancer activity and enhancer deletion on gene expression. Overall, we identified thousands of highly active enhancers and functionally validated a subset of these enhancers, improving our understanding of regulatory networks underlying brain function and disease.