The reference human genome sequence set the stage for studies of genetic variation and its association with human disease, but epigenomic studies lack a similar reference. To address this need, the NIH Roadmap Epigenomics Consortium generated the largest collection so far of human epigenomes for primary cells and tissues. Here we describe the integrative analysis of 111 reference human epigenomes generated as part of the programme, profiled for histone modification patterns, DNA accessibility, DNA methylation and RNA expression. We establish global maps of regulatory elements, define regulatory modules of coordinated activity, and their likely activators and repressors. We show that disease- and trait-associated genetic variants are enriched in tissue-specific epigenomic marks, revealing biologically relevant cell types for diverse human traits, and providing a resource for interpreting the molecular basis of human disease. Our results demonstrate the central role of epigenomic information for understanding gene regulation, cellular differentiation and human disease.

MicroRNAs (miRNAs) are genomically encoded small RNAs used by organisms to regulate the expression of proteins generated from messenger RNA transcripts. The in vivo requirement of specific miRNAs in mammals through targeted deletion remains unknown, and reliable prediction of mRNA targets is still problematic. Here, we show that miRNA biogenesis in the mouse heart is essential for cardiogenesis. Furthermore, targeted deletion of the muscle-specific miRNA, miR-1-2, revealed numerous functions in the heart, including regulation of cardiac morphogenesis, electrical conduction, and cell-cycle control. Analyses of miR-1 complementary sequences in mRNAs upregulated upon miR-1-2 deletion revealed an enrichment of miR-1 “seed matches” and a strong tendency for potential miR-1 binding sites to be located in physically accessible regions. These findings indicate that subtle alteration of miRNA dosage can have profound consequences in mammals and demonstrate the utility of mammalian loss-of-function models in revealing physiologic miRNA targets.

Cancer persister cells, which survive cytotoxic treatments, are shown to be sensitive to inhibition of the lipid hydroperoxidase GPX4. During cancer treatment, tumours can become drug-resistant. In addition, so-called persister cells can emerge and form a reservoir from which resistant cancer cells can originate. Persister cells are no longer sensitive to some drugs, but Michael McManus and colleagues now report that they exist in a mesenchymal state in which they are selectively sensitive to the inhibition of the lipid hydroperoxidase GPX4. Targeting GPX4 could therefore represent a new therapeutic avenue to potentially prevent drug resistance. Acquired drug resistance prevents cancer therapies from achieving stable and complete responses1. Emerging evidence implicates a key role for non-mutational drug resistance mechanisms underlying the survival of residual cancer ‘persister’ cells2,3,4. The persister cell pool constitutes a reservoir from which drug-resistant tumours may emerge. Targeting persister cells therefore presents a therapeutic opportunity to impede tumour relapse5. We previously found that cancer cells in a high mesenchymal therapy-resistant cell state are dependent on the lipid hydroperoxidase GPX4 for survival6. Here we show that a similar therapy-resistant cell state underlies the behaviour of persister cells derived from a wide range of cancers and drug treatments. Consequently, we demonstrate that persister cells acquire a dependency on GPX4. Loss of GPX4 function results in selective persister cell ferroptotic death in vitro and prevents tumour relapse in mice. These findings suggest that targeting of GPX4 may represent a therapeutic strategy to prevent acquired drug resistance.

Mesenchymal stem cells (MSCs) are a pluripotent cell type that can differentiate into several distinct lineages. Two key transcription factors, Runx2 and peroxisome proliferator–activated receptor γ (PPARγ), drive MSCs to differentiate into either osteoblasts or adipocytes, respectively. How these two transcription factors are regulated in order to specify these alternate cell fates remains a pivotal question. Here we report that a 14-3-3–binding protein, TAZ (transcriptional coactivator with PDZ-binding motif), coactivates Runx2-dependent gene transcription while repressing PPARγ-dependent gene transcription. By modulating TAZ expression in model cell lines, mouse embryonic fibroblasts, and primary MSCs in culture and in zebrafish in vivo, we observed alterations in osteogenic versus adipogenic potential. These results indicate that TAZ functions as a molecular rheostat that modulates MSC differentiation.

Known protein coding gene exons compose less than 3% of the human genome. The remaining 97% is largely uncharted territory, with only a small fraction characterized. The recent observation of transcription in this intergenic territory has stimulated debate about the extent of intergenic transcription and whether these intergenic RNAs are functional. Here we directly observed with a large set of RNA-seq data covering a wide array of human tissue types that the majority of the genome is indeed transcribed, corroborating recent observations by the ENCODE project. Furthermore, using de novo transcriptome assembly of this RNA-seq data, we found that intergenic regions encode far more long intergenic noncoding RNAs (lincRNAs) than previously described, helping to resolve the discrepancy between the vast amount of observed intergenic transcription and the limited number of previously known lincRNAs. In total, we identified tens of thousands of putative lincRNAs expressed at a minimum of one copy per cell, significantly expanding upon prior lincRNA annotation sets. These lincRNAs are specifically regulated and conserved rather than being the product of transcriptional noise. In addition, lincRNAs are strongly enriched for trait-associated SNPs suggesting a new mechanism by which intergenic trait-associated regions may function. These findings will enable the discovery and interrogation of novel intergenic functional elements.

The RNaseIII-containing enzyme Dicer is believed to be required for the processing of most, if not all, microRNAs (miRNAs) and for processing long dsRNA into small interfering RNAs. Because the complete loss of Dicer in both zebrafish and mice results in early embryonic lethality, it has been impossible to determine what role, if any, Dicer has in patterning later tissues in the developing vertebrate embryo. To bypass the early requirement of Dicer in development, we have created a conditional allele of this gene in mice. Using transgenes to drive Cre expression in discrete regions of the limb mesoderm, we find that removal of Dicer results in the loss of processed miRNAs. Phenotypically, developmental delays, in part due to massive cell death as well as disregulation of specific gene expression, lead to the formation of a much smaller limb. Thus, Dicer is required for the formation of normal mouse limbs. Strikingly, however, we did not detect defects in basic patterning or in tissue-specific differentiation of Dicer -deficient limb buds.

We have generated two lentiviral vectors for conditional, Cre-lox-regulated, RNA interference. One vector allows for conditional activation, whereas the other permits conditional inactivation of short hairpin RNA (shRNA) expression. The former is based on a strategy in which the mouse U6 promoter has been modified by including a hybrid between a LoxP site and a TATA box. The ability to efficiently control shRNA expression by using these vectors was shown in cell-based experiments by knocking down p53, nucleophosmin and DNA methyltransferase 1. We also demonstrate the usefulness of this approach to achieve conditional, tissue-specific RNA interference in Cre-expressing transgenic mice. Combined with the growing array of Cre expression strategies, these vectors allow spatial and temporal control of shRNA expression in vivo and should facilitate functional genetic analysis in mammals.

To Die For The unfolded protein response (UPR) adjusts the protein folding capacity of the endoplasmic reticulum (ER) to match demand. UPR signaling requires IRE1α, an ER transmembrane kinase-endoribonuclease (RNase) that becomes activated by unfolded protein accumulation within the ER and excises a segment in XBP1 messenger RNA (mRNA) to initiate production of the homeostatic transcription factor XBP1s. However, if ER stress is irremediable, sustained IRE1α RNase activity triggers cell death. Severe ER stress activates the protease Caspase-2 as an early apoptotic switch upstream of mitochondria. However, the molecular events leading from the detection of ER stress to Caspase-2 activation are unclear. Upton et al. (p. 818 , published online 4 October) now report that IRE1α is the ER stress sensor that activates Caspase-2, and does so through a mechanism involving non-coding RNAs. Under irremediable ER stress, IRE1α's RNase triggers the rapid decay of select microRNAs that normally repress translation of Caspase-2 mRNA, rapidly increasing Caspase-2 levels as the first step in its activation.

SummaryTo investigate the role of microRNAs in regulating oligodendrocyte (OL) differentiation and myelination, we utilized transgenic mice in which microRNA processing was disrupted in OL precursor cells (OPCs) and OLs by targeted deletion of Dicer1. We found that inhibition of OPC-OL miRNA processing disrupts normal CNS myelination and that OPCs lacking mature miRNAs fail to differentiate normally in vitro. We identified three miRNAs (miR-219, miR-138, and miR-338) that are induced 10–100× during OL differentiation; the most strongly induced of these, miR-219, is necessary and sufficient to promote OL differentiation, and partially rescues OL differentiation defects caused by total miRNA loss. miR-219 directly represses the expression of PDGFRα, Sox6, FoxJ3, and ZFP238 proteins, all of which normally help to promote OPC proliferation. Together, these findings show that miR-219 plays a critical role in coupling differentiation to proliferation arrest in the OL lineage, enabling the rapid transition from proliferating OPCs to myelinating OLs.Highlights•Mature microRNAs are required for normal compact myelin development in CNS and PNS•miR-219, induced in OLs, is necessary and sufficient to promote OL differentiation•miR-219 represses inhibitors of OL differentiation PDGFRa, Sox6, FoxJ3, and ZFP238•miRNAs couple initiation of OL differentiation to inhibition of OPC proliferation