Abstract Chromatin profiling at locus resolution uncovers gene regulatory features that define cell types and developmental trajectories, but it remains challenging to map and compare distinct chromatin-associated proteins within the same sample. Here we describe a scalable antibody barcoding approach for profiling multiple chromatin features simultaneously in the same individual cells, Multiple Target Identification by Tagmentation (MulTI-Tag). MulTI-Tag is optimized to retain high sensitivity and specificity of enrichment for multiple chromatin targets in the same assay. We use MulTI-Tag in a combinatorial barcoding approach to resolve distinct cell types and developmental trajectories using multiple chromatin features, and to distinguish unique, coordinated patterns of active and repressive element regulatory usage in the same individual cells that are associated with distinct differentiation outcomes. Multifactorial profiling allows us to detect novel associations between histone marks in single cells and holds promise for comprehensively characterizing cell-specific gene regulatory landscapes in development and disease.

Abstract Acute myeloid and lymphoid leukemias often harbor chromosomal translocations involving the Mixed Lineage Leukemia-1 gene, encoding the KMT2A lysine methyltransferase. The most common translocations produce in-frame fusions of KMT2A to other chromatin regulatory proteins. Here we develop a strategy to map the genome-wide occupancy of oncogenic KMT2A fusion proteins in primary patient samples regardless of fusion partner. By modifying the versatile CUT&Tag method for full automation we identify common and tumor-specific patterns of aberrant chromatin regulation induced by different KMT2A fusion proteins. Integration of automated and single-cell CUT&Tag uncovers epigenomic heterogeneity within patient samples and predicts sensitivity to therapeutic agents.

Summary Cleavage Under Targets & Tagmentation (CUT&Tag) is an antibody-directed transposase tethering strategy for in situ chromatin profiling in small samples and single cells. We describe a modified CUT&Tag protocol using a mixture of an antibody to the initiation form of RNA Polymerase II (Pol2 Serine-5 phosphate) and an antibody to repressive Polycomb domains (H3K27me3) followed by computational signal deconvolution to produce high-resolution maps of both the active and repressive regulomes in single cells. The ability to seamlessly map active promoters, enhancers and repressive regulatory elements using a single workflow provides a complete regulome profiling strategy suitable for high-throughput single-cell platforms.

Chromosomal translocations involving the

Abstract Lysine 27-to-methionine (K27M) mutations in the H3.1 or H3.3 histone genes are characteristic of pediatric diffuse midline gliomas (DMGs). These oncohistone mutations dominantly inhibit histone H3K27 trimethylation and silencing, but it is unknown how oncohistone type affects gliomagenesis. We show that the genomic distributions of H3.1 and H3.3 oncohistones in human patient-derived DMG cells are consistent with the DNA replication-coupled deposition of histone H3.1 and the predominant replication-independent deposition of histone H3.3. Although H3K27 trimethylation is reduced for both oncohistone types, H3.3K27M-bearing cells retain some domains, and only H3.1K27M-bearing cells lack H3K27 trimethylation. Neither oncohistone interferes with PRC2 binding. Using Drosophila as a model, we demonstrate that inhibition of H3K27 trimethylation occurs only when H3K27M oncohistones are deposited into chromatin and only when expressed in cycling cells. We propose that oncohistones inhibit the H3K27 methyltransferase as chromatin patterns are being duplicated in proliferating cells, predisposing them to tumorigenesis.

Summary Expansion of the pool of stem cells that indirectly generate differentiated cells through intermediate progenitors drives vertebrate brain evolution. Due to a lack of lineage information, mechanistic investigation of the competency of stem cells to generate intermediate progenitors remains impossible. Fly larval brain neuroblasts provide excellent in vivo models for investigating the regulation of stem cell functionality during neurogenesis. Type II neuroblasts undergo indirect neurogenesis by dividing asymmetrically to generate a neuroblast and a progeny that commits to an intermediate progenitor (INP) identity. We identified Tailless (Tll) as the master regulator that maintains type II neuroblast functional identity, including the competency to generate INPs. Successive inactivation during INP commitment inhibits tll activation by Notch, preventing INPs from reacquiring neuroblast functionality. We propose that the continual inactivation of neural stem cell functional identity genes by histone deacetylation allows intermediate progenitors to stably commit to generating diverse differentiated cells during indirect neurogenesis.

ABSTRACT Advanced prostate cancers comprise distinct phenotypes, but tumor classification remains clinically challenging. Here, we harnessed circulating tumor DNA (ctDNA) to study tumor phenotypes by ascertaining nucleosome positioning patterns associated with transcription regulation. We sequenced plasma ctDNA whole genomes from patient-derived xenografts representing a spectrum of androgen receptor active (ARPC) and neuroendocrine (NEPC) prostate cancers. Nucleosome patterns associated with transcriptional activity were reflected in ctDNA at regions of genes, promoters, histone modifications, transcription factor binding, and accessible chromatin. We identified the activity of key phenotype-defining transcriptional regulators from ctDNA, including AR, ASCL1, HOXB13, HNF4G, and NR3C1. Using these features, we designed a prediction model which distinguished NEPC from ARPC in patient plasma samples across three clinical cohorts with 97-100% sensitivity and 85-100% specificity. While phenotype classification is typically assessed by immunohistochemistry or transcriptome profiling, we demonstrate that ctDNA provides comparable results with numerous diagnostic advantages for precision oncology. STATEMENT OF SIGNIFICANCE This study provides key insights into the dynamics of nucleosome positioning and gene regulation associated with cancer phenotypes that can be ascertained from ctDNA. The new methods established for phenotype classification extend the utility of ctDNA beyond assessments of DNA alterations with important implications for molecular diagnostics and precision oncology.

Abstract For more than a century, Formalin Fixed Paraffin Embedded (FFPE) sample preparation has been the preferred method for long-term preservation of biological material. However, the use of FFPE samples for epigenomic studies has been difficult because of chromatin damage from long exposure to high concentrations of formaldehyde. Previously, we introduced Cleavage Under Targeted Accessible Chromatin (CUTAC), an antibody-targeted chromatin accessibility mapping protocol based on CUT&Tag. Here we show that simple modifications of our single-tube CUTAC protocol are sufficient to produce high-resolution maps of paused RNA Polymerase II (RNAPII) at enhancers and promoters using FFPE samples. We find that transcriptional regulatory element differences produced by FFPE-CUTAC distinguish between mouse brain tumor specimens and identify regulatory element markers with high confidence and precision. Our simple work-flow is suitable for automation, making possible affordable epigenomic profiling of archived biological samples for biomarker identification, clinical applications and retrospective studies.

The latent HIV reservoir is a major barrier to HIV cure. Combining latency reversal agents (LRAs) with differing mechanisms of action such as AZD5582, a non-canonical NF-kB activator, and I-BET151, a bromodomain inhibitor is appealing towards inducing HIV-1 reactivation. However, even this LRA combination needs improvement as it is inefficient at activating proviruses in cells from people living with HIV (PLWH). We performed a CRISPR screen in conjunction with AZD5582 & I-BET151 and identified a member of the Integrator complex as a target to improve this LRA combination, specifically Integrator complex subunit 12 (INTS12). Integrator functions as a genome-wide attenuator of transcription that acts on elongation through its RNA cleavage and phosphatase modules. Knockout of INTS12 in improved latency reactivation at the transcriptional level and is more specific to the HIV-1 provirus than AZD5582 & I-BET151 treatment alone. We found that INTS12 is present on chromatin at the promoter of HIV and therefore its effect on HIV may be direct. Additionally, we observed more RNAPII in the gene body of HIV only with the combination of INTS12 knockout with AZD5582 & I-BET151, indicating that INTS12 induces a transcriptional elongation block to viral reactivation. Moreover, knockout of INTS12 increased HIV-1 reactivation in CD4 T cells from virally suppressed PLWH ex vivo. We also detected viral RNA in the supernatant from CD4 T cells of all three virally suppressed PLWH tested upon INTS12 knockout suggesting that INTS12 prevents full-length HIV RNA production in primary T cells.