A gene, ATM , that is mutated in the autosomal recessive disorder ataxia telangiectasia (AT) was identified by positional cloning on chromosome 11q22-23. AT is characterized by cerebellar degeneration, immunodeficiency, chromosomal instability, cancer predisposition, radiation sensitivity, and cell cycle abnormalities. The disease is genetically heterogeneous, with four complementation groups that have been suspected to represent different genes. ATM , which has a transcript of 12 kilobases, was found to be mutated in AT patients from all complementation groups, indicating that it is probably the sole gene responsible for this disorder. A partial ATM complementary DNA clone of 5.9 kilobases encoded a putative protein that is similar to several yeast and mammalian phosphatidylinositol-3′ kinases that are involved in mitogenic signal transduction, meiotic recombination, and cell cycle control. The discovery of ATM should enhance understanding of AT and related syndromes and may allow the identification of AT heterozygotes, who are at increased risk of cancer.

The laboratory mouse shares the majority of its protein-coding genes with humans, making it the premier model organism in biomedical research, yet the two mammals differ in significant ways. To gain greater insights into both shared and species-specific transcriptional and cellular regulatory programs in the mouse, the Mouse ENCODE Consortium has mapped transcription, DNase I hypersensitivity, transcription factor binding, chromatin modifications and replication domains throughout the mouse genome in diverse cell and tissue types. By comparing with the human genome, we not only confirm substantial conservation in the newly annotated potential functional sequences, but also find a large degree of divergence of sequences involved in transcriptional regulation, chromatin state and higher order chromatin organization. Our results illuminate the wide range of evolutionary forces acting on genes and their regulatory regions, and provide a general resource for research into mammalian biology and mechanisms of human diseases.

Transcription factors bind in a combinatorial fashion to specify the on-and-off states of genes; the ensemble of these binding events forms a regulatory network, constituting the wiring diagram for a cell. To examine the principles of the human transcriptional regulatory network, we determined the genomic binding information of 119 transcription-related factors in over 450 distinct experiments. We found the combinatorial, co-association of transcription factors to be highly context specific: distinct combinations of factors bind at specific genomic locations. In particular, there are significant differences in the binding proximal and distal to genes. We organized all the transcription factor binding into a hierarchy and integrated it with other genomic information (for example, microRNA regulation), forming a dense meta-network. Factors at different levels have different properties; for instance, top-level transcription factors more strongly influence expression and middle-level ones co-regulate targets to mitigate information-flow bottlenecks. Moreover, these co-regulations give rise to many enriched network motifs (for example, noise-buffering feed-forward loops). Finally, more connected network components are under stronger selection and exhibit a greater degree of allele-specific activity (that is, differential binding to the two parental alleles). The regulatory information obtained in this study will be crucial for interpreting personal genome sequences and understanding basic principles of human biology and disease. A description is given of the ENCODE consortium’s efforts to examine the principles of human transcriptional regulatory networks; the results are integrated with other genomic information to form a hierarchical meta-network where different levels have distinct properties. This manuscript describes the effort of the ENCODE (Encyclopedia of DNA Elements) Consortium to examine the principles of human transcriptional regulatory networks, using a subset of 119 transcription factors. The results are integrated with other genomic information to form a multi-level meta-network in which different levels have distinct properties. The findings will aid future interpretations of human genomics and help us to understand the basic principles of human biology and disease.

Homologs of the Saccharomyces cerevisiae Sir2 protein, sirtuins, promote longevity in many organisms. Studies of the sirtuin SIRT3 have so far been limited to cell culture systems. Here, we investigate the localization and function of SIRT3 in vivo. We show that endogenous mouse SIRT3 is a soluble mitochondrial protein. To address the function and relevance of SIRT3 in the regulation of energy metabolism, we generated and phenotypically characterized SIRT3 knockout mice. SIRT3-deficient animals exhibit striking mitochondrial protein hyperacetylation, suggesting that SIRT3 is a major mitochondrial deacetylase. In contrast, no mitochondrial hyperacetylation was detectable in mice lacking the two other mitochondrial sirtuins, SIRT4 and SIRT5. Surprisingly, despite this biochemical phenotype, SIRT3-deficient mice are metabolically unremarkable under basal conditions and show normal adaptive thermogenesis, a process previously suggested to involve SIRT3. Overall, our results extend the recent finding of lysine acetylation of mitochondrial proteins and demonstrate that SIRT3 has evolved to control reversible lysine acetylation in this organelle.

Structural variation of the genome involves kilobase- to megabase-sized deletions, duplications, insertions, inversions, and complex combinations of rearrangements. We introduce high-throughput and massive paired-end mapping (PEM), a large-scale genome-sequencing method to identify structural variants (SVs) approximately 3 kilobases (kb) or larger that combines the rescue and capture of paired ends of 3-kb fragments, massive 454 sequencing, and a computational approach to map DNA reads onto a reference genome. PEM was used to map SVs in an African and in a putatively European individual and identified shared and divergent SVs relative to the reference genome. Overall, we fine-mapped more than 1000 SVs and documented that the number of SVs among humans is much larger than initially hypothesized; many of the SVs potentially affect gene function. The breakpoint junction sequences of more than 200 SVs were determined with a novel pooling strategy and computational analysis. Our analysis provided insights into the mechanisms of SV formation in humans.

Elucidating the transcribed regions of the genome constitutes a fundamental aspect of human biology, yet this remains an outstanding problem. To comprehensively identify coding sequences, we constructed a series of high-density oligonucleotide tiling arrays representing sense and antisense strands of the entire nonrepetitive sequence of the human genome. Transcribed sequences were located across the genome via hybridization to complementary DNA samples, reverse-transcribed from polyadenylated RNA obtained from human liver tissue. In addition to identifying many known and predicted genes, we found 10,595 transcribed sequences not detected by other methods. A large fraction of these are located in intergenic regions distal from previously annotated genes and exhibit significant homology to other mammalian proteins.

Genes overlap across psychiatric disease Many genome-wide studies have examined genes associated with a range of neuropsychiatric disorders. However, the degree to which the genetic underpinnings of these diseases differ or overlap is unknown. Gandal et al. performed meta-analyses of transcriptomic studies covering five major psychiatric disorders and compared cases and controls to identify coexpressed gene modules. From this, they found that some psychiatric disorders share global gene expression patterns. This overlap in polygenic traits in neuropsychiatric disorders may allow for better diagnosis and treatment. Science , this issue p. 693

Like Father, Like Mother, Like Child Transcriptional regulation is mediated by chromatin structure, which may affect the binding of transcription factors, but the extent of how individual-to-individual genetic variation affects such regulation is not well understood. Kasowski et al. (p. 232 , published online 18 March) investigated the binding of two transcription factors across the genomes of human individuals and one chimpanzee. Transcription factor binding was associated with genomic features such as nucleotide variation, insertions and deletions, and copy number variation. Thus, genomic sequence variation affects transcription factor binding and may explain expression difference among individuals. McDaniell et al. (p. 235 , published online 18 March) provide a genome-wide catalog of variation in chromatin and transcription factor binding in two parent-child trios of European and African ancestry. Up to 10% of active chromatin binding sites were specific to a set of individuals and were often inherited. Furthermore, variation in active chromatin sites showed heritable allele-specific correlation with variation in gene expression.

Organoid techniques provide unique platforms to model brain development and neurological disorders. Whereas several methods for recapitulating corticogenesis have been described, a system modeling human medial ganglionic eminence (MGE) development, a critical ventral brain domain producing cortical interneurons and related lineages, has been lacking until recently. Here, we describe the generation of MGE and cortex-specific organoids from human pluripotent stem cells that recapitulate the development of MGE and cortex domains, respectively. Population and single-cell RNA sequencing (RNA-seq) profiling combined with bulk assay for transposase-accessible chromatin with high-throughput sequencing (ATAC-seq) analyses revealed transcriptional and chromatin accessibility dynamics and lineage relationships during MGE and cortical organoid development. Furthermore, MGE and cortical organoids generated physiologically functional neurons and neuronal networks. Finally, fusing region-specific organoids followed by live imaging enabled analysis of human interneuron migration and integration. Together, our study provides a platform for generating domain-specific brain organoids and modeling human interneuron migration and offers deeper insight into molecular dynamics during human brain development.

To complement the human Encyclopedia of DNA Elements (ENCODE) project and to enable a broad range of mouse genomics efforts, the Mouse ENCODE Consortium is applying the same experimental pipelines developed for human ENCODE to annotate the mouse genome.