Genome-wide association studies have identified many noncoding variants associated with common diseases and traits. We show that these variants are concentrated in regulatory DNA marked by deoxyribonuclease I (DNase I) hypersensitive sites (DHSs). Eighty-eight percent of such DHSs are active during fetal development and are enriched in variants associated with gestational exposure-related phenotypes. We identified distant gene targets for hundreds of variant-containing DHSs that may explain phenotype associations. Disease-associated variants systematically perturb transcription factor recognition sequences, frequently alter allelic chromatin states, and form regulatory networks. We also demonstrated tissue-selective enrichment of more weakly disease-associated variants within DHSs and the de novo identification of pathogenic cell types for Crohn's disease, multiple sclerosis, and an electrocardiogram trait, without prior knowledge of physiological mechanisms. Our results suggest pervasive involvement of regulatory DNA variation in common human disease and provide pathogenic insights into diverse disorders.

DNase I hypersensitive sites (DHSs) are markers of regulatory DNA and have underpinned the discovery of all classes of cis-regulatory elements including enhancers, promoters, insulators, silencers and locus control regions. Here we present the first extensive map of human DHSs identified through genome-wide profiling in 125 diverse cell and tissue types. We identify ∼2.9 million DHSs that encompass virtually all known experimentally validated cis-regulatory sequences and expose a vast trove of novel elements, most with highly cell-selective regulation. Annotating these elements using ENCODE data reveals novel relationships between chromatin accessibility, transcription, DNA methylation and regulatory factor occupancy patterns. We connect ∼580,000 distal DHSs with their target promoters, revealing systematic pairing of different classes of distal DHSs and specific promoter types. Patterning of chromatin accessibility at many regulatory regions is organized with dozens to hundreds of co-activated elements, and the transcellular DNase I sensitivity pattern at a given region can predict cell-type-specific functional behaviours. The DHS landscape shows signatures of recent functional evolutionary constraint. However, the DHS compartment in pluripotent and immortalized cells exhibits higher mutation rates than that in highly differentiated cells, exposing an unexpected link between chromatin accessibility, proliferative potential and patterns of human variation. An extensive map of human DNase I hypersensitive sites, markers of regulatory DNA, in 125 diverse cell and tissue types is described; integration of this information with other ENCODE-generated data sets identifies new relationships between chromatin accessibility, transcription, DNA methylation and regulatory factor occupancy patterns. This paper describes the first extensive map of human DNaseI hypersensitive sites — markers of regulatory DNA — in 125 diverse cell and tissue types. Integration of this information with other data sets generated by ENCODE (Encyclopedia of DNA Elements) identified new relationships between chromatin accessibility, transcription, DNA methylation and regulatory-factor occupancy patterns. Evolutionary-conservation analysis revealed signatures of recent functional constraint within DNaseI hypersensitive sites.

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.

Abstract The human and mouse genomes contain instructions that specify RNAs and proteins and govern the timing, magnitude, and cellular context of their production. To better delineate these elements, phase III of the Encyclopedia of DNA Elements (ENCODE) Project has expanded analysis of the cell and tissue repertoires of RNA transcription, chromatin structure and modification, DNA methylation, chromatin looping, and occupancy by transcription factors and RNA-binding proteins. Here we summarize these efforts, which have produced 5,992 new experimental datasets, including systematic determinations across mouse fetal development. All data are available through the ENCODE data portal ( https://www.encodeproject.org ), including phase II ENCODE 1 and Roadmap Epigenomics 2 data. We have developed a registry of 926,535 human and 339,815 mouse candidate cis -regulatory elements, covering 7.9 and 3.4% of their respective genomes, by integrating selected datatypes associated with gene regulation, and constructed a web-based server (SCREEN; http://screen.encodeproject.org ) to provide flexible, user-defined access to this resource. Collectively, the ENCODE data and registry provide an expansive resource for the scientific community to build a better understanding of the organization and function of the human and mouse genomes.

Regulatory factor binding to genomic DNA protects the underlying sequence from cleavage by DNase I, leaving nucleotide-resolution footprints. Using genomic DNase I footprinting across 41 diverse cell and tissue types, we detected 45 million transcription factor occupancy events within regulatory regions, representing differential binding to 8.4 million distinct short sequence elements. Here we show that this small genomic sequence compartment, roughly twice the size of the exome, encodes an expansive repertoire of conserved recognition sequences for DNA-binding proteins that nearly doubles the size of the human cis–regulatory lexicon. We find that genetic variants affecting allelic chromatin states are concentrated in footprints, and that these elements are preferentially sheltered from DNA methylation. High-resolution DNase I cleavage patterns mirror nucleotide-level evolutionary conservation and track the crystallographic topography of protein–DNA interfaces, indicating that transcription factor structure has been evolutionarily imprinted on the human genome sequence. We identify a stereotyped 50-base-pair footprint that precisely defines the site of transcript origination within thousands of human promoters. Finally, we describe a large collection of novel regulatory factor recognition motifs that are highly conserved in both sequence and function, and exhibit cell-selective occupancy patterns that closely parallel major regulators of development, differentiation and pluripotency. DNase I footprinting in 41 cell and tissue types reveals millions of short sequence elements encoding an expansive repertoire of conserved recognition sequences for DNA-binding proteins. DNaseI footprinting detects DNA sequences that are protected from cleavage by DNaseI because they are bound by regulatory factors. Studying these footprints in 41 diverse cell and tissue types, the authors describe millions of short sequence elements that are conserved recognition sequences for DNA-binding proteins. The effort nearly doubles the size of the human cis-regulatory lexicon and provides insight into chromatin states and levels of evolutionary conservation. A large collection of novel regulatory-factor recognition motifs that closely parallel major regulators of development, differentiation and pluripotency is also described.

Structural variants (SVs) can contribute to oncogenesis through a variety of mechanisms. Despite their importance, the identification of SVs in cancer genomes remains challenging. Here, we present a framework that integrates optical mapping, high-throughput chromosome conformation capture (Hi-C), and whole-genome sequencing to systematically detect SVs in a variety of normal or cancer samples and cell lines. We identify the unique strengths of each method and demonstrate that only integrative approaches can comprehensively identify SVs in the genome. By combining Hi-C and optical mapping, we resolve complex SVs and phase multiple SV events to a single haplotype. Furthermore, we observe widespread structural variation events affecting the functions of noncoding sequences, including the deletion of distal regulatory sequences, alteration of DNA replication timing, and the creation of novel three-dimensional chromatin structural domains. Our results indicate that noncoding SVs may be underappreciated mutational drivers in cancer genomes. The authors present an integrative framework for identifying structural variants (SVs) in cancer that applies optical mapping, Hi-C, and whole-genome sequencing. They find SVs affecting distal regulatory sequences, DNA replication, and three-dimensional chromatin structure.

Abstract Combinatorial binding of transcription factors to regulatory DNA underpins gene regulation in all organisms. Genetic variation in regulatory regions has been connected with diseases and diverse phenotypic traits 1 , but it remains challenging to distinguish variants that affect regulatory function 2 . Genomic DNase I footprinting enables the quantitative, nucleotide-resolution delineation of sites of transcription factor occupancy within native chromatin 3–6 . However, only a small fraction of such sites have been precisely resolved on the human genome sequence 6 . Here, to enable comprehensive mapping of transcription factor footprints, we produced high-density DNase I cleavage maps from 243 human cell and tissue types and states and integrated these data to delineate about 4.5 million compact genomic elements that encode transcription factor occupancy at nucleotide resolution. We map the fine-scale structure within about 1.6 million DNase I-hypersensitive sites and show that the overwhelming majority are populated by well-spaced sites of single transcription factor–DNA interaction. Cell-context-dependent cis -regulation is chiefly executed by wholesale modulation of accessibility at regulatory DNA rather than by differential transcription factor occupancy within accessible elements. We also show that the enrichment of genetic variants associated with diseases or phenotypic traits in regulatory regions 1,7 is almost entirely attributable to variants within footprints, and that functional variants that affect transcription factor occupancy are nearly evenly partitioned between loss- and gain-of-function alleles. Unexpectedly, we find increased density of human genetic variation within transcription factor footprints, revealing an unappreciated driver of cis -regulatory evolution. Our results provide a framework for both global and nucleotide-precision analyses of gene regulatory mechanisms and functional genetic variation.

Abstract Early mammalian development is orchestrated by genome-encoded regulatory elements populated by a changing complement of regulatory factors, creating a dynamic chromatin landscape. To define the spatiotemporal organization of regulatory DNA landscapes during mouse development and maturation, we generated nucleotide-resolution DNA accessibility maps from 15 tissues sampled at 9 intervals spanning post-conception day 9.5 through early adult, and integrated these with 41 adult-stage DNase-seq profiles to create a global atlas of mouse regulatory DNA. Collectively, we delineated >1.8 million DNase I hypersensitive sites (DHSs), with the vast majority displaying temporal and tissue-selective patterning. Here we show that tissue regulatory DNA compartments show sharp embryonic-to-fetal transitions characterized by wholesale turnover of DHSs and progressive domination by a diminishing number of transcription factors. We show further that aligning mouse and human fetal development on a regulatory axis exposes disease-associated variation enriched in early intervals lacking human samples. Our results provide an expansive new resource for decoding mammalian developmental regulatory programs.

Abstract The genome is reprogrammed during development to produce diverse cell types, largely through altered expression and activity of key transcription factors. The accessibility and critical functions of epidermal cells have made them a model for connecting transcriptional events to development in a range of model systems. In Arabidopsis thaliana and many other plants, fertilization triggers differentiation of specialized epidermal seed coat cells that have a unique morphology caused by large extracellular deposits of pectin. Here, we used DNase I-seq to generate regulatory landscapes of A. thaliana seeds at two critical time points in seed coat maturation, enriching for seed coat cells with the INTACT method. We found over 3000 developmentally dynamic regulatory DNA elements and explored their relationship with nearby gene expression. The dynamic regulatory elements were enriched for motifs for several transcription factors families; most notably the TCP family at the earlier time point and the MYB family at the later one. To assess the extent to which the observed regulatory sites in seeds added to previously known regulatory sites in A. thaliana , we compared our data to 11 other data sets generated with seven-day-old seedlings for diverse tissues and conditions. Surprisingly, over a quarter of the regulatory, i.e. accessible, bases observed in seeds were novel. Notably, in this comparison, development exerted a stronger effect on the plant regulatory landscape than extreme environmental perturbations, highlighting the importance of extending studies of regulatory landscapes to other tissues and cell types during development.

DNase I hypersensitive sites (DHSs) are generic markers of regulatory DNA and harbor disease- and phenotypic trait-associated genetic variation. We established high-precision maps of DNase I hypersensitive sites from 733 human biosamples encompassing 439 cell and tissue types and states, and integrated these to precisely delineate and numerically index ~3.6 million DHSs encoded within the human genome, providing a common coordinate system for regulatory DNA. Here we show that the expansive scale of cell and tissue states sampled exposes an unprecedented degree of stereotyped actuation of large sets of elements, signaling the operation of distinct genome-scale regulatory programs. We show further that the complex actuation patterns of individual elements can be captured comprehensively by a simple regulatory vocabulary reflecting their dominant cellular manifestation. This vocabulary, in turn, enables comprehensive and quantitative regulatory annotation of both protein-coding genes and the vast array of well-defined but poorly-characterized non-coding RNA genes. Finally, we show that the combination of high-precision DHSs and regulatory vocabularies markedly concentrate disease- and trait-associated non-coding genetic signals both along the genome and across cellular compartments. Taken together, our results provide a common and extensible coordinate system and vocabulary for human regulatory DNA, and a new global perspective on the architecture of human gene regulation.