Summary The hypothalamus regulates metabolic homeostasis by influencing behavior, energy utilization and endocrine systems. Given its role governing health-relevant traits, such as body weight and reproductive timing, understanding the genetic regulation of hypothalamic development and function should yield insights into these traits and diseases. However, given its inaccessibility, studying human hypothalamic gene regulation has proven challenging. To address this gap, we generated a chromatin architecture atlas of an established embryonic stem cell (ESC)-derived hypothalamic-like neuron (HN) model across three stages of in vitro differentiation. We profiled accessible chromatin and identified physically interacting contacts between gene promoters and their putative cis-regulatory elements (cREs) to characterize changes in the gene regulatory landscape during hypothalamic differentiation. Next, we integrated these data with GWAS loci for multiple traits and diseases enriched for heritability in these cells, identifying candidate effector genes and cREs impacting transcription factor binding. Our results reveal common target genes for these traits, potentially identifying core hypothalamic developmental pathways. Our atlas will enable future efforts to determine precise mechanisms underlying hypothalamic development with respect to specific disease pathogenesis.

Abstract Recent large-scale human genome-wide association studies (GWAS) for insomnia have identified more than 200 significant loci. The functional relevance of these loci to the pathogenesis of insomnia is largely unknown. GWAS signals are typically non-coding variants, which are often arbitrarily annotated to the nearest protein-coding gene; however, due to 3D chromatin structure, variants can interact with more distal genes driving their function. The distal gene may, therefore, represent the true causal gene influencing the phenotype. By integrating our high-resolution chromatin interaction maps from neural progenitor cells with phenotypic data from a Drosophila RNAi screen, we prioritized candidate genes that we hypothesized would have deep phylogenetic conservation of sleep function. To determine the conservation of these candidate genes in the context of vertebrate sleep and their relevance to insomnia-like behaviors, we performed CRISPR-Cas9 mutagenesis in larval zebrafish for six highly conserved candidate genes and examined sleep-wake behaviors using automated video-tracking. CRISPR mutation of zebrafish orthologs of MEIS1 and SKIV2L produced insomnia-like behaviors, while mutation of ARFGAP2 impaired activity and development in our larval zebrafish model, demonstrating the importance of performing functional validation of GWAS-implicated effector genes to reveal genes influencing disease-relevant mechanisms.

Abstract Three-dimensional (3D) chromatin organization maps help to dissect cell type-specific gene regulatory programs. Furthermore, 3D chromatin maps have contributed to elucidating the pathogenesis of complex genetic diseases by connecting distal regulatory regions and genetic risk variants to their respective target genes. To understand the cell type-specific regulatory architecture of diabetes risk, we generated transcriptomic and 3D epigenomic profiles of human pancreatic acinar, alpha, and beta cells using single-cell RNA-seq, single-cell ATAC-seq, and high-resolution Hi-C of sorted cells. Comparisons of these profiles revealed differential A/B (open/closed) chromatin compartmentalization, chromatin looping, and transcriptional factor mediated control of cell type-specific gene regulatory programs. We identified a total of 4,750 putative causal-variant-target-gene pairs at 194 type 2 diabetes GWAS signals using pancreatic 3D chromatin maps. We found that the connections between candidate causal variants and their putative target effector genes are cell-type stratified and emphasize previously underappreciated roles for alpha and acinar cells in diabetes pathogenesis.

ABSTRACT Sleep is nearly ubiquitous throughout the animal kingdom, with deficiencies in sleep having been linked to a wide range of human disorders and diseases. While genome wide association studies (GWAS) in humans have identified loci robustly associated with several heritable diseases or traits, little is known about the functional roles of the underlying causal variants in regulating sleep duration or quality. We applied an ATAC-seq/promoter focused Capture C strategy in human iPSC-derived neural progenitors to carry out a ‘variant-to-gene’ mapping campaign that identified 88 candidate sleep effector genes connected to relevant GWAS signals. To functionally validate the role of the implicated effector genes in sleep regulation, we performed a neuron-specific RNAi screen in the fruit fly, Drosophila melanogaster . This approach identified a number of genes that regulated sleep, including phosphatidylinositol N-acetylglucosaminyltransferase subunit Q ( PIG-Q ), a gene that encodes an enzyme involved in the first step of glycosylphosphatidylinositol (GPI)- anchor biosynthesis. We show that flies deficient for PIG-Q have longer sleep during both day and night due to an increase in the total number of sleep bouts. Subsequent systematic investigation of other PIG-family genes identified increased sleep in flies for multiple different genes within the PIG pathway. We then mutated the PIG-Q locus in zebrafish and identified similar increases in sleep to those observed in Drosophila , confirming deep homology of PIG-Q mediated sleep regulation. These results provide the first physical variant-to-gene mapping of human sleep genes followed by a model organism-based prioritization, revealing a novel and conserved role for GPI-anchor biosynthesis in sleep regulation.

Over 1,100 independent signals have been identified with genome-wide association studies (GWAS) for bone mineral density (BMD), a key risk factor for mortality-increasing fragility fractures; however, the effector gene(s) for most remain unknown. Informed by a variant-to-gene mapping strategy implicating 89 non-coding elements predicted to regulate osteoblast gene expression at BMD GWAS loci, we executed a single-cell CRISPRi screen in human fetal osteoblast 1.19 cells (hFOBs). The BMD relevance of hFOBs was supported by heritability enrichment from cross-cell type stratified LD-score regression involving 98 cell types grouped into 15 tissues. 24 genes showed perturbation in the screen, with four (

ABSTRACT Genome-wide association studies (GWAS) have identified hundreds of genetic loci associated with autoimmune disease, but the causal variants and their contribution to immune dysregulation remain largely unknown. We measured the dynamics of chromosome conformation, chromatin accessibility, and gene transcription across three phases of naive human CD4+ T cell activation and co-localized active cis -regulatory elements with the 95% credible set of variants from 15 autoimmune GWAS. Reorganization of chromosome structure placed these elements in direct contact with ∼1,200 protein-coding genes, at least one-third of which were dynamically regulated by stimulation. The set of implicated genes is enriched for high-throughput CRISPR screen targets that control multiple aspects of CD4+ T cell activation, and we pharmacologically validated eight novel gene products as potent regulators of T cell proliferation. These maps also allowed the identification and functional validation of a novel stretch of intergenic enhancers for the autoimmune gene IL2 whose activity is influenced by autoimmune-associated genetic variation. This study represents a powerful strategy and resource for assigning physiologic relevance to autoimmune-risk variants and identify novel genes that control T cell activation and function.

Systemic lupus erythematosus (SLE) is a complex inflammatory disease mediated by autoreactive antibodies that damages multiple tissues in children and adults. Genome-wide association studies (GWAS) have statistically implicated hundreds of loci in the susceptibility to human disease, including SLE, but the majority have failed to identify the causal variants or the effector genes. As a physicochemical approach to detecting functional variants and connecting them to target genes, we generated comprehensive, high-resolution maps of SLE variant accessibility and gene connectivity in the context of the three-dimensional chromosomal architecture of human tonsillar follicular helper T cells (TFH), a cell type required for the production of anti-nuclear antibodies characteristic of SLE. These spatial epigenomic maps identified a shortlist of over 400 potentially functional variants across 48 GWAS-implicated SLE loci. Twenty percent of these variants were located in open promoters of highly-expressed TFH genes, while 80% reside in non-promoter genomic regions that are connected in 3D to genes that likewise tend to be highly expressed in TFH. Importantly, we find that 90% of SLE-associated variants exhibit spatial proximity to genes that are not nearby in the 1D sequence of the genome, and over 60% of variants skip the nearest gene to physically interact only with the promoters of distant genes. Gene ontology confirmed that genes in spatial proximity to SLE variants reside in highly SLE-relevant networks, including accessible variants that loop 200-1000 kb to interact with the promoters of the canonical TFH genes BCL6 and CXCR5. CRISPR-Cas9 genome editing confirmed that these variants reside in novel, distal regulatory elements required for normal BCL6 and CXCR5 expression by T cells. Furthermore, SLE-associated SNP-promoter interactomes implicated a set of novel genes with no known role in TFH or SLE disease biology, including the homeobox-interacting protein kinase HIPK1 and the Ste kinase homolog MINK1. Targeting these kinases in primary human TFH cells inhibited production of IL-21, a requisite cytokine for production of class-switched antibodies by B cells. This 3D-variant-to-gene mapping approach gives mechanistic insight into the SLE-associated regulatory architecture of the human genome.

Although genome wide association studies (GWAS) have been crucial for the identification of loci associated with sleep traits and disorders, the method itself does not directly uncover the underlying causal variants and corresponding effector genes. The overwhelming majority of such variants reside in non-coding regions and are therefore presumed to impact the activity of cis-regulatory elements, such as enhancers. Our previously reported 'variant-to-gene mapping' effort in human induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived neural progenitor cells (NPCs), combined with validation in both Drosophila and zebrafish, implicated PIG-Q as a functionally relevant gene at the insomnia 'WDR90' locus. However, importantly that effort did not characterize the corresponding underlying causal variant at this GWAS signal. Specifically, our genome-wide ATAC-seq and high-resolution promoter-focused Capture C datasets generated in this cell setting brought our attention to a shortlist of three tightly neighboring single nucleotide polymorphisms (SNPs) in strong linkage disequilibrium in a candidate intronic enhancer region of WDR90 that contacted the open PIG-Q promoter. The objective of this study was to investigate the influence of the proxy SNPs collectively and then individually on PIG-Q modulation and to pinpoint the causal "regulatory" variant among the three SNPs. Starting at a gross level perturbation, deletion of the entire region harboring all three SNPs in human iPSC-derived neural progenitor cells via CRISPR-Cas9 editing and subsequent RNA sequencing revealed expression changes in specific PIG-Q transcripts. Results from more refined individual luciferase reporter assays for each of the three SNPs in iPSCs revealed that the intronic region with the rs3752495 risk allele induced a ~2.5-fold increase in luciferase expression (n=10). Importantly, rs3752495 also exhibited an allele specific effect, with the risk allele increasing the luciferase expression by ~2-fold compared to the non-risk allele. In conclusion, our variant-to-function approach and subsequent in vitro validation implicates rs3752495 as a causal insomnia risk variant embedded at the WDR90-PIG-Q locus.

SUMMARY The ch12q13 obesity locus is among the most significant childhood obesity loci identified in genome-wide association studies. This locus resides in a non-coding region within FAIM2 ; thus, the underlying causal variant(s) presumably influence disease susceptibility via an influence on cis -regulation within the genomic region. We implicated rs7132908 as a putative causal variant at this locus leveraging a combination of our inhouse 3D genomic data, public domain datasets, and several computational approaches. Using a luciferase reporter assay in human primary astrocytes, we observed allele-specific cis -regulatory activity of the immediate region harboring rs7132908. Motivated by this finding, we went on to generate isogenic human embryonic stem cell lines homozygous for either rs7132908 allele with CRISPR-Cas9 homology-directed repair to assess changes in gene expression due to genotype and chromatin accessibility throughout a differentiation to hypothalamic neurons, a key cell type known to regulate feeding behavior. We observed that the rs7132908 obesity risk allele influenced the expression of FAIM2 along with other genes, decreased the proportion of neurons produced during differentiation, up-regulated cell death gene sets, and conversely down-regulated neuron differentiation gene sets. We have therefore functionally validated rs7132908 as a causal obesity variant which temporally regulates nearby effector genes at the ch12q13 locus and influences neurodevelopment and survival.

Osteoporosis is a devastating disease with an essential genetic component. Genome wide association studies (GWAS) have discovered genetic variants robustly associated with bone mineral density (BMD), however they only report genomic signals and not necessarily the precise localization of culprit effector genes. Therefore, we sought to carry out physical and direct 'variant to gene mapping' in a relevant primary human cell type. We developed 'SPATIaL-seq' (genome-Scale, Promoter-focused Analysis of chromaTIn Looping), a massively parallel, high resolution Capture-C based method to simultaneously characterize the genome-wide interactions of all human promoters. By intersecting our SPATIaL-seq and ATAC-seq data from human mesenchymal progenitor cell-derived osteoblasts, we observed consistent contacts between candidate causal variants and putative target gene promoters in open chromatin for ~30% of the 110 BMD loci investigated. Knockdown of two novel implicated genes, ING3 at 'CPED1-WNT16' and EPDR1 at 'STARD3NL', had pronounced inhibitory effects on osteoblastogenesis. Our approach therefore aids target discovery in osteoporosis and can be applied to other common genetic diseases.