CROP-seq enables pooled CRISPR screens for complex transcriptome signatures by making gRNA expression detectable in single-cell RNA sequencing. CRISPR-based genetic screens are accelerating biological discovery, but current methods have inherent limitations. Widely used pooled screens are restricted to simple readouts including cell proliferation and sortable marker proteins. Arrayed screens allow for comprehensive molecular readouts such as transcriptome profiling, but at much lower throughput. Here we combine pooled CRISPR screening with single-cell RNA sequencing into a broadly applicable workflow, directly linking guide RNA expression to transcriptome responses in thousands of individual cells. Our method for CRISPR droplet sequencing (CROP-seq) enables pooled CRISPR screens with single-cell transcriptome resolution, which will facilitate high-throughput functional dissection of complex regulatory mechanisms and heterogeneous cell populations.

Chromatin immunoprecipitation followed by sequencing (ChIP-seq) is widely used to map histone marks and transcription factor binding throughout the genome. Here we present ChIPmentation, a method that combines chromatin immunoprecipitation with sequencing library preparation by Tn5 transposase ('tagmentation'). ChIPmentation introduces sequencing-compatible adaptors in a single-step reaction directly on bead-bound chromatin, which reduces time, cost and input requirements, thus providing a convenient and broadly useful alternative to existing ChIP-seq protocols.

The mammalian immune system implements a remarkably effective set of mechanisms for fighting pathogens1. Its main components are haematopoietic immune cells, including myeloid cells that control innate immunity, and lymphoid cells that constitute adaptive immunity2. However, immune functions are not unique to haematopoietic cells, and many other cell types display basic mechanisms of pathogen defence3–5. To advance our understanding of immunology outside the haematopoietic system, here we systematically investigate the regulation of immune genes in the three major types of structural cells: epithelium, endothelium and fibroblasts. We characterize these cell types across twelve organs in mice, using cellular phenotyping, transcriptome sequencing, chromatin accessibility profiling and epigenome mapping. This comprehensive dataset revealed complex immune gene activity and regulation in structural cells. The observed patterns were highly organ-specific and seem to modulate the extensive interactions between structural cells and haematopoietic immune cells. Moreover, we identified an epigenetically encoded immune potential in structural cells under tissue homeostasis, which was triggered in response to systemic viral infection. This study highlights the prevalence and organ-specific complexity of immune gene activity in non-haematopoietic structural cells, and it provides a high-resolution, multi-omics atlas of the epigenetic and transcriptional networks that regulate structural cells in the mouse. Structural cells implement a broad range of immune-regulatory functions beyond their roles as barriers and connective tissues, and they utilize an epigenetically encoded potential for immune gene activation in their rapid response to viral infection.

Chronic hepatitis C virus (HCV) infection is an important risk factor for hepatocellular carcinoma (HCC). Despite effective antiviral therapies, the risk for HCC is decreased but not eliminated after a sustained virologic response (SVR) to direct-acting antiviral (DAA) agents, and the risk is higher in patients with advanced fibrosis. We investigated HCV-induced epigenetic alterations that might affect risk for HCC after DAA treatment in patients and mice with humanized livers.We performed genome-wide ChIPmentation-based ChIP-Seq and RNA-seq analyses of liver tissues from 6 patients without HCV infection (controls), 18 patients with chronic HCV infection, 8 patients with chronic HCV infection cured by DAA treatment, 13 patients with chronic HCV infection cured by interferon therapy, 4 patients with chronic hepatitis B virus infection, and 7 patients with nonalcoholic steatohepatitis in Europe and Japan. HCV-induced epigenetic modifications were mapped by comparative analyses with modifications associated with other liver disease etiologies. uPA/SCID mice were engrafted with human hepatocytes to create mice with humanized livers and given injections of HCV-infected serum samples from patients; mice were given DAAs to eradicate the virus. Pathways associated with HCC risk were identified by integrative pathway analyses and validated in analyses of paired HCC tissues from 8 patients with an SVR to DAA treatment of HCV infection.We found chronic HCV infection to induce specific genome-wide changes in H3K27ac, which correlated with changes in expression of mRNAs and proteins. These changes persisted after an SVR to DAAs or interferon-based therapies. Integrative pathway analyses of liver tissues from patients and mice with humanized livers demonstrated that HCV-induced epigenetic alterations were associated with liver cancer risk. Computational analyses associated increased expression of SPHK1 with HCC risk. We validated these findings in an independent cohort of patients with HCV-related cirrhosis (n = 216), a subset of which (n = 21) achieved viral clearance.In an analysis of liver tissues from patients with and without an SVR to DAA therapy, we identified epigenetic and gene expression alterations associated with risk for HCC. These alterations might be targeted to prevent liver cancer in patients treated for HCV infection.

Transcription factor fusion proteins can transform cells by inducing global changes of the transcriptome, often creating a state of oncogene addiction. Here, we investigate the role of epigenetic mechanisms in this process, focusing on Ewing sarcoma cells that are dependent on the EWS-FLI1 fusion protein. We established reference epigenome maps comprising DNA methylation, seven histone marks, open chromatin states, and RNA levels, and we analyzed the epigenome dynamics upon downregulation of the driving oncogene. Reduced EWS-FLI1 expression led to widespread epigenetic changes in promoters, enhancers, and super-enhancers, and we identified histone H3K27 acetylation as the most strongly affected mark. Clustering of epigenetic promoter signatures defined classes of EWS-FLI1-regulated genes that responded differently to low-dose treatment with histone deacetylase inhibitors. Furthermore, we observed strong and opposing enrichment patterns for E2F and AP-1 among EWS-FLI1-correlated and anticorrelated genes. Our data describe extensive genome-wide rewiring of epigenetic cell states driven by an oncogenic fusion protein.

Abstract Methylation of cytosines is the prototypic epigenetic modification of the DNA. It has been implicated in various regulatory mechanisms throughout the animal kingdom and particularly in vertebrates. We mapped DNA methylation in 580 animal species (535 vertebrates, 45 invertebrates), resulting in 2443 genome-scale, base-resolution DNA methylation profiles of primary tissue samples from various organs. Reference-genome independent analysis of this comprehensive dataset quantified the association of DNA methylation with the underlying genomic DNA sequence throughout vertebrate evolution. We observed a broadly conserved link with two major transitions – once in the first vertebrates and again with the emergence of reptiles. Cross-species comparisons focusing on individual organs supported a deeply conserved association of DNA methylation with tissue type, and cross-mapping analysis of DNA methylation at gene promoters revealed evolutionary changes for orthologous genes with conserved DNA methylation patterns. In summary, this study establishes a large resource of vertebrate and invertebrate DNA methylomes, it showcases the power of reference-free epigenome analysis in species for which no reference genomes are available, and it contributes an epigenetic perspective to the study of vertebrate evolution.

Abstract Chronic lymphocytic leukemia (CLL) is a genetically, epigenetically, and clinically heterogeneous disease. Despite this heterogeneity, the Bruton tyrosine kinase (BTK) inhibitor ibrutinib provides effective treatment for the vast majority of CLL patients. To define the underlining regulatory program, we analyzed high-resolution time courses of ibrutinib treatment in closely monitored patients, combining cellular phenotyping (flow cytometry), single-cell transcriptome profiling (scRNA-seq), and chromatin mapping (ATAC-seq). We identified a consistent regulatory program shared across all patients, which was further validated by an independent CLL cohort. In CLL cells, this program starts with a sharp decrease of NF-κB binding, followed by reduced regulatory activity of lineage-defining transcription factors (including PAX5 and IRF4) and erosion of CLL cell identity, finally leading to the acquisition of a quiescence-like gene signature which was shared across several immune cell types. Nevertheless, we observed patient-to-patient variation in the speed of its execution, which we exploited to predict patient-specific dynamics in the response to ibrutinib based on pre-treatment samples. In aggregate, our study describes the cellular, molecular, and regulatory effects of therapeutic B cell receptor inhibition in CLL at high temporal resolution, and it establishes a broadly applicable method for epigenome/transcriptome-based treatment monitoring.

Tissue adaptation is required for regulatory T (Treg) cell function within organs. Whether this program shares aspects with other tissue-localized immune populations is unclear. Here, we analyzed single-cell chromatin accessibility data, including the transposable element (TE) landscape of CD45