Enhancers control the correct temporal and cell-type-specific activation of gene expression in multicellular eukaryotes. Knowing their properties, regulatory activity and targets is crucial to understand the regulation of differentiation and homeostasis. Here we use the FANTOM5 panel of samples, covering the majority of human tissues and cell types, to produce an atlas of active, in vivo-transcribed enhancers. We show that enhancers share properties with CpG-poor messenger RNA promoters but produce bidirectional, exosome-sensitive, relatively short unspliced RNAs, the generation of which is strongly related to enhancer activity. The atlas is used to compare regulatory programs between different cells at unprecedented depth, to identify disease-associated regulatory single nucleotide polymorphisms, and to classify cell-type-specific and ubiquitous enhancers. We further explore the utility of enhancer redundancy, which explains gene expression strength rather than expression patterns. The online FANTOM5 enhancer atlas represents a unique resource for studies on cell-type-specific enhancers and gene regulation. Using the FANTOM5 CAGE expression atlas, the authors show that bidirectional capped RNAs are a signature feature of active enhancers and identify over 40,000 enhancer candidates from over 800 human cell and tissue samples across the whole human body. FANTOM5 (standing for functional annotation of the mammalian genome 5) is the fifth major stage of a major international collaboration that aims to dissect the transcriptional regulatory networks that define every human cell type. Two Articles in this issue of Nature present some of the project's latest results. The first paper uses the FANTOM5 panel of tissue and primary cell samples to define an atlas of active, in vivo bidirectionally transcribed enhancers across the human body. These authors show that bidirectional capped RNAs are a signature feature of active enhancers and identify more than 40,000 enhancer candidates from over 800 human cell and tissue samples. The enhancer atlas is used to compare regulatory programs between different cell types and identify disease-associated regulatory SNPs, and will be a resource for studies on cell-type-specific enhancers. In the second paper, single-molecule sequencing is used to map human and mouse transcription start sites and their usage in a panel of distinct human and mouse primary cells, cell lines and tissues to produce the most comprehensive mammalian gene expression atlas to date. The data provide a plethora of insights into open reading frames and promoters across different cell types in addition to valuable annotation of mammalian cell-type-specific transcriptomes.

Regulated transcription controls the diversity, developmental pathways and spatial organization of the hundreds of cell types that make up a mammal. Using single-molecule cDNA sequencing, we mapped transcription start sites (TSSs) and their usage in human and mouse primary cells, cell lines and tissues to produce a comprehensive overview of mammalian gene expression across the human body. We find that few genes are truly ‘housekeeping’, whereas many mammalian promoters are composite entities composed of several closely separated TSSs, with independent cell-type-specific expression profiles. TSSs specific to different cell types evolve at different rates, whereas promoters of broadly expressed genes are the most conserved. Promoter-based expression analysis reveals key transcription factors defining cell states and links them to binding-site motifs. The functions of identified novel transcripts can be predicted by coexpression and sample ontology enrichment analyses. The functional annotation of the mammalian genome 5 (FANTOM5) project provides comprehensive expression profiles and functional annotation of mammalian cell-type-specific transcriptomes with wide applications in biomedical research. A study from the FANTOM consortium using single-molecule cDNA sequencing of transcription start sites and their usage in human and mouse primary cells, cell lines and tissues reveals insights into the specificity and diversity of transcription patterns across different mammalian cell types. FANTOM5 (standing for functional annotation of the mammalian genome 5) is the fifth major stage of a major international collaboration that aims to dissect the transcriptional regulatory networks that define every human cell type. Two Articles in this issue of Nature present some of the project's latest results. The first paper uses the FANTOM5 panel of tissue and primary cell samples to define an atlas of active, in vivo bidirectionally transcribed enhancers across the human body. These authors show that bidirectional capped RNAs are a signature feature of active enhancers and identify more than 40,000 enhancer candidates from over 800 human cell and tissue samples. The enhancer atlas is used to compare regulatory programs between different cell types and identify disease-associated regulatory SNPs, and will be a resource for studies on cell-type-specific enhancers. In the second paper, single-molecule sequencing is used to map human and mouse transcription start sites and their usage in a panel of distinct human and mouse primary cells, cell lines and tissues to produce the most comprehensive mammalian gene expression atlas to date. The data provide a plethora of insights into open reading frames and promoters across different cell types in addition to valuable annotation of mammalian cell-type-specific transcriptomes.

Approximately one-third of all mammalian genes are essential for life. Phenotypes resulting from knockouts of these genes in mice have provided tremendous insight into gene function and congenital disorders. As part of the International Mouse Phenotyping Consortium effort to generate and phenotypically characterize 5,000 knockout mouse lines, here we identify 410 lethal genes during the production of the first 1,751 unique gene knockouts. Using a standardized phenotyping platform that incorporates high-resolution 3D imaging, we identify phenotypes at multiple time points for previously uncharacterized genes and additional phenotypes for genes with previously reported mutant phenotypes. Unexpectedly, our analysis reveals that incomplete penetrance and variable expressivity are common even on a defined genetic background. In addition, we show that human disease genes are enriched for essential genes, thus providing a dataset that facilitates the prioritization and validation of mutations identified in clinical sequencing efforts. Identification and characterization, using a comprehensive embryonic phenotyping pipeline, of 410 lethal alleles during the generation of the first 1,751 of 5,000 unique gene knockouts produced by the International Mouse Phenotyping Consortium. Stephen Murray and colleagues, including those from the International Mouse Phenotyping Consortium, report on the first phase of the project to generate and phenotypically characterize 5,000 knockout mouse lines, the first systematic efforts to characterize the phenotypes of embryonic lethal mutations. They identify 410 lethal genes during the production of the first 1,751 unique gene knockouts, and characterize these in a comprehensive phenotyping pipeline that includes high-resolution 3D imaging methods. Unexpectedly, given the defined genetic background, they find a number of phenotypes with incomplete penetrance, including some gene knockouts with subviability. The authors also show that orthologues of these mouse essential genes are enriched in genes associated with human disease and show evidence of purifying selection in the human population.

The FANTOM5 project investigates transcription initiation activities in more than 1,000 human and mouse primary cells, cell lines and tissues using CAGE. Based on manual curation of sample information and development of an ontology for sample classification, we assemble the resulting data into a centralized data resource ( http://fantom.gsc.riken.jp/5/ ). This resource contains web-based tools and data-access points for the research community to search and extract data related to samples, genes, promoter activities, transcription factors and enhancers across the FANTOM5 atlas.

Although it is generally accepted that cellular differentiation requires changes to transcriptional networks, dynamic regulation of promoters and enhancers at specific sets of genes has not been previously studied en masse. Exploiting the fact that active promoters and enhancers are transcribed, we simultaneously measured their activity in 19 human and 14 mouse time courses covering a wide range of cell types and biological stimuli. Enhancer RNAs, then messenger RNAs encoding transcription factors, dominated the earliest responses. Binding sites for key lineage transcription factors were simultaneously overrepresented in enhancers and promoters active in each cellular system. Our data support a highly generalizable model in which enhancer transcription is the earliest event in successive waves of transcriptional change during cellular differentiation or activation.

Abstract Reproducibility in the statistical analyses of data from high-throughput phenotyping screens requires a robust and reliable analysis foundation that allows modelling of different possible statistical scenarios. Regular challenges are scalability and extensibility of the analysis software. In this manuscript, we describe OpenStats, a freely available software package that addresses these challenges. We show the performance of the software in a high-throughput phenomic pipeline in the International Mouse Phenotyping Consortium (IMPC) and compare the agreement of the results with the most similar implementation in the literature. OpenStats has significant improvements in speed and scalability compared to existing software packages including a 13-fold improvement in computational time to the current production analysis pipeline in the IMPC. Reduced complexity also promotes FAIR data analysis by providing transparency and benefiting other groups in reproducing and re-usability of the statistical methods and results. OpenStats is freely available under a Creative Commons license at www.bioconductor.org/packages/OpenStats .

Although genomic sequencing has been transformative in the study of rare genetic diseases, identifying causal variants remains a considerable challenge that can be addressed in part by new gene-specific knowledge. Here, we integrate measures of how essential a gene is to supporting life, as inferred from the comprehensive viability and phenotyping screens performed on knockout mice by the International Mouse Phenotyping Consortium and from human cell line essentiality screens. We propose a novel, cross-species gene classification across the Full Spectrum of Intolerance to Loss-of-function (FUSIL) and demonstrate that genes in five mutually exclusive FUSIL categories have differing characteristics in the biological processes they regulate, tissue expression levels and human mutation rates. Most notably, Mendelian disease genes, particularly those associated with developmental disorders, are highly overrepresented in the developmental lethal category, representing genes not essential for cell survival but required for organism development. Exploiting this finding, we have screened developmental disorder cases from three independent disease sequencing consortia and identified potentially pathogenic, de novo variants shared in different patients for several developmental lethal genes that have not previously been associated with rare disease. We therefore propose FUSIL as an efficient resource for disease gene discovery.

Patient-derived tumor xenograft (PDX) mouse models are a versatile oncology research platform for studying tumor biology and for testing chemotherapeutic approaches tailored to genomic characteristics of individual patient's tumors. PDX models are generated and distributed by a diverse group of academic labs, research organizations, multi-institution consortia, and contract research organizations. The distributed nature of PDX repositories and the use of different standards in the associated metadata presents a significant challenge to finding PDX models relevant to specific cancer research questions. The Jackson Laboratory and EMBL-EBI are addressing these challenges by co-developing PDX Finder, a comprehensive open global catalog of PDX models and their associated datasets. Within PDX Finder, model attributes are harmonized and integrated using a previously developed community minimal information standard to support consistent searching across the originating resources. Links to repositories are provided from the PDX Finder search results to facilitate model acquisition and/or collaboration. The PDX Finder resource currently contains information for more than 1900 PDX models of diverse cancers including those from large resources such as the Patient-Derived Models Repository, PDXNet and EurOPDX. Individuals or organizations that generate and distribute PDXs are invited to increase the "findability" of their models by participating in the PDX Finder initiative at www.pdxfinder.org

The International Mouse Phenotyping Consortium reports the generation of new mouse mutant strains for over 5,000 genes from targeted embryonic stem cells on the C57BL/6N genetic background. This includes 2,850 null alleles for which no equivalent mutant mouse line exists, 2,987 novel conditional-ready alleles, and 4,433 novel reporter alleles. This nearly triples the number of genes with reporter alleles and almost doubles the number of conditional alleles available to the scientific community. When combined with more than 30 years of community effort, the total mutant allele mouse resource covers more than half of the genome. The extensively validated collection is archived and distributed through public repositories, facilitating availability to the worldwide biomedical research community, and expanding our understanding of gene function and human disease.

By developing a high-density murine immunophenotyping platform compatible with high-throughput genetic screening, we have established profound contributions of genetics and structure to immune variation. Specifically, high-throughput phenotyping of 530 knockout mouse lines identified 140 monogenic “hits” (>25%), most of which had never hitherto been implicated in immunology. Furthermore, they were conspicuously enriched in genes for which humans show poor tolerance to loss-of-function. The immunophenotyping platform also exposed dense correlation networks linking immune parameters with one another and with specific physiologic traits. By limiting the freedom of individual immune parameters, such linkages impose genetically regulated “immunological structures”, whose integrity was found to be associated with immunocompetence. Hence, our findings provide an expanded genetic resource and structural perspective for understanding and monitoring immune variation in health and disease.