Long non-coding RNAs (lncRNAs) are largely heterogeneous and functionally uncharacterized. Here, using FANTOM5 cap analysis of gene expression (CAGE) data, we integrate multiple transcript collections to generate a comprehensive atlas of 27,919 human lncRNA genes with high-confidence 5′ ends and expression profiles across 1,829 samples from the major human primary cell types and tissues. Genomic and epigenomic classification of these lncRNAs reveals that most intergenic lncRNAs originate from enhancers rather than from promoters. Incorporating genetic and expression data, we show that lncRNAs overlapping trait-associated single nucleotide polymorphisms are specifically expressed in cell types relevant to the traits, implicating these lncRNAs in multiple diseases. We further demonstrate that lncRNAs overlapping expression quantitative trait loci (eQTL)-associated single nucleotide polymorphisms of messenger RNAs are co-expressed with the corresponding messenger RNAs, suggesting their potential roles in transcriptional regulation. Combining these findings with conservation data, we identify 19,175 potentially functional lncRNAs in the human genome. A catalogue of human long non-coding RNA genes and their expression profiles across samples from major human primary cell types, tissues and cell lines. Alistair Forrest, Piero Carninci and colleagues of the FANTOM Consortium provide a catalogue of human long non-coding RNA (lncRNA) genes and their expression profiles across samples from human primary cell types, tissues and cell lines. They used combined analyses of multiple data sets to identify 27,919 lncRNA genes with high-confidence 5′ ends, as well as a subset of 19,175 potentially functional lncRNA loci. The lncRNA catalogue and annotations are available through an open web resource.

Enhancers, critical determinants of cellular identity, are commonly recognized by correlative chromatin marks and gain-of-function potential, although only loss-of-function studies can demonstrate their requirement in the native genomic context. Previously, we identified an erythroid enhancer of human BCL11A, subject to common genetic variation associated with the fetal haemoglobin level, the mouse orthologue of which is necessary for erythroid BCL11A expression. Here we develop pooled clustered regularly interspaced palindromic repeat (CRISPR)-Cas9 guide RNA libraries to perform in situ saturating mutagenesis of the human and mouse enhancers. This approach reveals critical minimal features and discrete vulnerabilities of these enhancers. Despite conserved function of the composite enhancers, their architecture diverges. The crucial human sequences appear to be primate-specific. Through editing of primary human progenitors and mouse transgenesis, we validate the BCL11A erythroid enhancer as a target for fetal haemoglobin reinduction. The detailed enhancer map will inform therapeutic genome editing, and the screening approach described here is generally applicable to functional interrogation of non-coding genomic elements. A CRISPR-Cas9 approach is used to perform saturating mutagenesis of the human and mouse BCL11A enhancers, producing a map that reveals critical regions and specific vulnerabilities; BCL11A enhancer disruption is validated by CRISPR-Cas9 as a therapeutic strategy for inducing fetal haemoglobin by applying it in both mice and primary human erythroblast cells. BCL11A is a transcriptional repressor that inhibits expression of fetal globin genes in adults, and is a potential therapeutic target for the treatment of β-globinopathies such as β-thalassemia and sickle cell disease. The enhancer of BCL11A is subject to common genetic variation associated with fetal hemoglobin level. Here, Daniel Bauer and colleagues use a CRISPR–Cas9 approach to perform saturation mutagenesis of the human and mouse BCL11A enhancers, producing a map that reveals critical regions and specific vulnerabilities. They validate BCL11A enhancer disruption by CRISPR–Cas9 as a therapeutic strategy for inducing fetal haemoglobin by applying it in both mice and primary human erythroblast cells.

Fetal hemoglobin (HbF, α2γ2) level is genetically controlled and modifies severity of adult hemoglobin (HbA, α2β2) disorders, sickle cell disease, and β-thalassemia. Common genetic variation affects expression of BCL11A, a regulator of HbF silencing. To uncover how BCL11A supports the developmental switch from γ- to β- globin, we use a functional assay and protein binding microarray to establish a requirement for a zinc-finger cluster in BCL11A in repression and identify a preferred DNA recognition sequence. This motif appears in embryonic and fetal-expressed globin promoters and is duplicated in γ-globin promoters. The more distal of the duplicated motifs is mutated in individuals with hereditary persistence of HbF. Using the CUT&RUN approach to map protein binding sites in erythroid cells, we demonstrate BCL11A occupancy preferentially at the distal motif, which can be disrupted by editing the promoter. Our findings reveal that direct γ-globin gene promoter repression by BCL11A underlies hemoglobin switching.

Transfusion of red blood cells (RBCs) is a standard and indispensable therapy in current clinical practice. In vitro production of RBCs offers a potential means to overcome a shortage of transfusable RBCs in some clinical situations and also to provide a source of cells free from possible infection or contamination by microorganisms. Thus, in vitro production of RBCs may become a standard procedure in the future. We previously reported the successful establishment of immortalized mouse erythroid progenitor cell lines that were able to produce mature RBCs very efficiently. Here, we have developed a reliable protocol for establishing immortalized human erythroid progenitor cell lines that are able to produce enucleated RBCs. These immortalized cell lines produce functional hemoglobin and express erythroid-specific markers, and these markers are upregulated following induction of differentiation in vitro. Most importantly, these immortalized cell lines all produce enucleated RBCs after induction of differentiation in vitro, although the efficiency of producing enucleated RBCs remains to be improved further. To the best of our knowledge, this is the first demonstration of the feasibility of using immortalized human erythroid progenitor cell lines as an ex vivo source for production of enucleated RBCs.

Haematopoietic stem cells (HSCs) are a rare cell type that reconstitute the entire blood and immune systems after transplantation and can be used as a curative cell therapy for a variety of haematological diseases1,2. However, the low number of HSCs in the body makes both biological analyses and clinical application difficult, and the limited extent to which human HSCs can be expanded ex vivo remains a substantial barrier to the wider and safer therapeutic use of HSC transplantation3. Although various reagents have been tested in attempts to stimulate the expansion of human HSCs, cytokines have long been thought to be essential for supporting HSCs ex vivo4. Here we report the establishment of a culture system that allows the long-term ex vivo expansion of human HSCs, achieved through the complete replacement of exogenous cytokines and albumin with chemical agonists and a caprolactam-based polymer. A phosphoinositide 3-kinase activator, in combination with a thrombopoietin-receptor agonist and the pyrimidoindole derivative UM171, were sufficient to stimulate the expansion of umbilical cord blood HSCs that are capable of serial engraftment in xenotransplantation assays. Ex vivo HSC expansion was further supported by split-clone transplantation assays and single-cell RNA-sequencing analysis. Our chemically defined expansion culture system will help to advance clinical HSC therapies.

Abstract Mobile genetic elements (MEs) are heritable mutagens that contribute to divergence between lineages by recursively generating structural variants. ME variants (MEVs) are difficult to genotype, obscuring their impact on recent genome and trait diversification. We developed a tool that uses short-read sequence data to accurately genotype MEVs, enabling us to study them using statistical genetics methods in global human genomes. We observe population-specific differences in the distribution of Alu insertions that distinguish Japanese from other populations. We integrated MEVs with epigenomic and expression quantitative trait loci (eQTL) maps to determine how they impact traits. This reveals coherent patterns by which specific MEs regulate tissue-specific gene expression, including creating or attenuating enhancers and recruiting post-transcriptional regulators. We pinpoint MEVs as genetic causes of disease risk, including a LINE-1 insertion linked to keloid and other diseases of fibroblast inflammation, by introducing MEVs into the genome-wide association study (GWAS) framework. In addition to nominating previously-hidden MEVs as causes of human diseases, this work highlights MEs as accelerators of human population divergence and begins to decipher the semantics of MEs.

ABSTRACT Switching hemoglobin synthesis from defective adult beta-globin to fetal gamma-globin is an effective strategy for the treatment of beta-hemoglobinopathies. Fetal hemoglobin expression is down-regulated in the postnatal period due to the interplay of transcription regulators with the HBG promoters. However, in the hereditary persistence of fetal hemoglobin (HPFH) condition, naturally occurring point mutations in the HBG promoter causes continued expression of fetal globin even during adulthood. Inspired by this natural phenomenon, we screened the proximal promoter of human HBG genes using adenine and cytosine base editors to identify other nucleotide substitutions that could potentially lead to elevated levels of fetal globin. Both the base editors efficiently and precisely edited at the target sites with a minimal generation of indels and no deletion of one of the duplicated HBG genes. Through systematic tiling across the HBG proximal promoter, we identified multiple novel target sites that resulted in a significant increase in fetal globin levels. Further, we individually validated the top eight potential target sites from both the base editors and observed robust elevation in the fetal globin levels up to 47 %, without any detrimental effects on erythroid differentiation. Our screening strategy resulted in the identification of multiple novel point mutations and also validated the known non-deletional HPFH mutations that could elevate the fetal globin expression at therapeutically relevant levels. Overall, our findings shed light on so far unknown regulatory elements within the HBG promoter that normally mediates fetal globin silencing and identify additional targets for therapeutic upregulation of fetal hemoglobin.

Summary Wilson’s disease (WD) is a copper metabolic disorder, which is caused by defective ATP7B function. Here, we have generated induced pluripotent stem cells (iPSCs) from WD patients carrying compound heterozygous mutations on ATP7B . ATP7B loss- and gain-of-functions were further manifested with ATP7B-deficient iPSCs and heterozygously-corrected R778L WD patient-derived iPSCs using CRISPR-Cas9-based gene editing. Transcriptome analysis identified abnormalities of retinoid signaling pathway and lipid metabolism in WD-specific hepatocytes. Although the expression level of ATP7B protein was variable among WD-specific hepatocytes, the expression and secretion of ceruloplasmin (Cp), which is a downstream copper carrier in plasma, were consistently decreased. Cp secretion-based drug screening identified all-trans retinoic acid (ATRA) as promising candidates for rescuing Cp secretion. ATRA also alleviated reactive oxygen species (ROS) production induced by lipid accumulation in WD-specific hepatocytes. Our patient-derived iPSC-based hepatic models provide potential therapeutics for liver steatosis in WD and other fatty liver diseases.

Human globin gene production transcriptionally switches from fetal to adult synthesis shortly after birth, and is controlled by macromolecular complexes that enhance or suppress transcription by cis-elements scattered throughout the locus. The DRED repressor is recruited to the epsilon- and gamma-globin promoters by the orphan nuclear receptors TR2 (NR2C1) and TR4 (NR2C2) to engender their silencing in adult erythroid cells. Here we found that nuclear receptor corepressor-1 (NCoR1) is a critical component of DRED that acts as a scaffold to unite the DNA binding and epigenetic enzyme components (e.g. DNMT1 and LSD1) that elicit DRED function. We also describe a potent new regulator of gamma-globin repression: the deubiquitinase BAP1 is a component of the repressor complex whose activity maintains NCoR1 at sites in the beta-globin locus, and BAP1 inhibition in erythroid cells massively induces gamma-globin synthesis. These data provide new mechanistic insights through the discovery of novel epigenetic enzymes that mediate gamma-globin gene repression.

Abstract β-thalassemia and HbE result from mutations in the β-globin locus that impedes the production of functional β-hemoglobin and represents one of the most common genetic disorders worldwide. Recent advances in genome engineering have opened up new therapeutic opportunities to directly correct these pathogenic mutations using base editors that install transition mutations (A>G and C>T) in the target region with minimal generation of indels. Herein, for the first time, we demonstrate the usage of base editor in the correction of point mutations spanning multiple regions of the HBB gene, including promoter, intron and exon. To this end, we have engineered human erythroid cells harbouring the diverse HBB mutations, thus eliminating the requirement of patient CD34+ HSPCs with desired mutations for the primary screening by base editors. We further performed precise creation and correction of individual HBB point mutations in human erythroid cells using base editors, which were effectively corrected in the HBB-engineered erythroid model. Intriguingly, most bystander effects produced by the base editor at the target site were reported to exhibit normal hemoglobin variants. Overall, our study provides the proof-of-concept for the precise, efficient and scarless creation and correction of various pathogenic mutations at the coding and non-coding regions of HBB gene in human erythroid cells using base editors and establishes a novel therapeutic platform for the treatment of β-thalassemia/HbE patients. This study can be further explored in correcting the other monogenic disorders caused due to single base substitutions.