Chromatin profiling has emerged as a powerful means of genome annotation and detection of regulatory activity. The approach is especially well suited to the characterization of non-coding portions of the genome, which critically contribute to cellular phenotypes yet remain largely uncharted. Here we map nine chromatin marks across nine cell types to systematically characterize regulatory elements, their cell-type specificities and their functional interactions. Focusing on cell-type-specific patterns of promoters and enhancers, we define multicell activity profiles for chromatin state, gene expression, regulatory motif enrichment and regulator expression. We use correlations between these profiles to link enhancers to putative target genes, and predict the cell-type-specific activators and repressors that modulate them. The resulting annotations and regulatory predictions have implications for the interpretation of genome-wide association studies. Top-scoring disease single nucleotide polymorphisms are frequently positioned within enhancer elements specifically active in relevant cell types, and in some cases affect a motif instance for a predicted regulator, thus suggesting a mechanism for the association. Our study presents a general framework for deciphering cis-regulatory connections and their roles in disease. Large-scale chromatin profiling can be used to distinguish functional genomic elements. Here, a compendium of chromatin maps for various histone marks in multiple human cell types is presented. Using the resulting data it is possible to identify different chromatin states corresponding to distinct regulatory elements such as repressed and active promoters, enhancers and insulators. Several disease-associated single nucleotide polymorphisms are shown to overlap with regulatory elements. This work has implications for human disease, and in particular for interpreting genome-wide association studies.

Differentiation of human embryonic stem cells (hESCs) provides a unique opportunity to study the regulatory mechanisms that facilitate cellular transitions in a human context. To that end, we performed comprehensive transcriptional and epigenetic profiling of populations derived through directed differentiation of hESCs representing each of the three embryonic germ layers. Integration of whole-genome bisulfite sequencing, chromatin immunoprecipitation sequencing, and RNA sequencing reveals unique events associated with specification toward each lineage. Lineage-specific dynamic alterations in DNA methylation and H3K4me1 are evident at putative distal regulatory elements that are frequently bound by pluripotency factors in the undifferentiated hESCs. In addition, we identified germ-layer-specific H3K27me3 enrichment at sites exhibiting high DNA methylation in the undifferentiated state. A better understanding of these initial specification events will facilitate identification of deficiencies in current approaches, leading to more faithful differentiation strategies as well as providing insights into the rewiring of human regulatory programs during cellular transitions.

Genome-wide association studies (GWASs) implicate the PHACTR1 locus (6p24) in risk for five vascular diseases, including coronary artery disease, migraine headache, cervical artery dissection, fibromuscular dysplasia, and hypertension. Through genetic fine mapping, we prioritized rs9349379, a common SNP in the third intron of the PHACTR1 gene, as the putative causal variant. Epigenomic data from human tissue revealed an enhancer signature at rs9349379 exclusively in aorta, suggesting a regulatory function for this SNP in the vasculature. CRISPR-edited stem cell-derived endothelial cells demonstrate rs9349379 regulates expression of endothelin 1 (EDN1), a gene located 600 kb upstream of PHACTR1. The known physiologic effects of EDN1 on the vasculature may explain the pattern of risk for the five associated diseases. Overall, these data illustrate the integration of genetic, phenotypic, and epigenetic analysis to identify the biologic mechanism by which a common, non-coding variant can distally regulate a gene and contribute to the pathogenesis of multiple vascular diseases.

Hundreds of chromatin regulators (CRs) control chromatin structure and function by catalyzing and binding histone modifications, yet the rules governing these key processes remain obscure. Here, we present a systematic approach to infer CR function. We developed ChIP-string, a meso-scale assay that combines chromatin immunoprecipitation with a signature readout of 487 representative loci. We applied ChIP-string to screen 145 antibodies, thereby identifying effective reagents, which we used to map the genome-wide binding of 29 CRs in two cell types. We found that specific combinations of CRs colocalize in characteristic patterns at distinct chromatin environments, at genes of coherent functions, and at distal regulatory elements. When comparing between cell types, CRs redistribute to different loci but maintain their modular and combinatorial associations. Our work provides a multiplex method that substantially enhances the ability to monitor CR binding, presents a large resource of CR maps, and reveals common principles for combinatorial CR function.

ABSTRACT Understanding how genetic variants impact molecular phenotypes is a key goal of functional genomics, currently hindered by reliance on a single haploid reference genome. Here, we present the EN-TEx resource of personal epigenomes, for ∼25 tissues and >10 assays in four donors (>1500 open-access functional genomic and proteomic datasets, in total). Each dataset is mapped to a matched, diploid personal genome, which has long-read phasing and structural variants. The mappings enable us to identify >1 million loci with allele-specific behavior. These loci exhibit coordinated epigenetic activity along haplotypes and less conservation than matched, non-allele-specific loci, in a fashion broadly paralleling tissue-specificity. Surprisingly, they can be accurately modelled just based on local nucleotide-sequence context. Combining EN-TEx with existing genome annotations reveals strong associations between allele-specific and GWAS loci and enables models for transferring known eQTLs to difficult-to-profile tissues. Overall, EN-TEx provides rich data and generalizable models for more accurate personal functional genomics.

A critical goal in functional genomics is evaluating which non-coding elements contribute to gene expression, cellular function, and disease. Functional characterization remains a challenge due to the abundance and complexity of candidate elements. Here, we develop a CRISPRi-based approach for multi-locus screening of putative transcription factor binding sites with a single truncated guide. A truncated guide with hundreds of sequence match sites can reliably disrupt enhancer activity, which expands the targeting scope of CRISPRi while maintaining repressive efficacy. We screen over 13,000 possible CTCF binding sites with 24 guides at 10 nucleotides in spacer length. These truncated guides direct CRISPRi-mediated deposition of repressive H3K9me3 marks and disrupt transcription factor binding at most sequence match target sites. This approach is valuable for elucidating functional transcription factor binding motifs or other repeated genomic sequences and is easily implementable with existing tools.