Long-range interactions between regulatory elements and gene promoters play key roles in transcriptional regulation. The vast majority of interactions are uncharted, constituting a major missing link in understanding genome control. Here, we use promoter capture Hi-C to identify interacting regions of 31,253 promoters in 17 human primary hematopoietic cell types. We show that promoter interactions are highly cell type specific and enriched for links between active promoters and epigenetically marked enhancers. Promoter interactomes reflect lineage relationships of the hematopoietic tree, consistent with dynamic remodeling of nuclear architecture during differentiation. Interacting regions are enriched in genetic variants linked with altered expression of genes they contact, highlighting their functional role. We exploit this rich resource to connect non-coding disease variants to putative target promoters, prioritizing thousands of disease-candidate genes and implicating disease pathways. Our results demonstrate the power of primary cell promoter interactomes to reveal insights into genomic regulatory mechanisms underlying common diseases.

Characterizing the multifaceted contribution of genetic and epigenetic factors to disease phenotypes is a major challenge in human genetics and medicine. We carried out high-resolution genetic, epigenetic, and transcriptomic profiling in three major human immune cell types (CD14+ monocytes, CD16+ neutrophils, and naive CD4+ T cells) from up to 197 individuals. We assess, quantitatively, the relative contribution of cis-genetic and epigenetic factors to transcription and evaluate their impact as potential sources of confounding in epigenome-wide association studies. Further, we characterize highly coordinated genetic effects on gene expression, methylation, and histone variation through quantitative trait locus (QTL) mapping and allele-specific (AS) analyses. Finally, we demonstrate colocalization of molecular trait QTLs at 345 unique immune disease loci. This expansive, high-resolution atlas of multi-omics changes yields insights into cell-type-specific correlation between diverse genomic inputs, more generalizable correlations between these inputs, and defines molecular events that may underpin complex disease risk.

Blood cells derive from hematopoietic stem cells through stepwise fating events. To characterize gene expression programs driving lineage choice, we sequenced RNA from eight primary human hematopoietic progenitor populations representing the major myeloid commitment stages and the main lymphoid stage. We identified extensive cell type-specific expression changes: 6711 genes and 10,724 transcripts, enriched in non-protein-coding elements at early stages of differentiation. In addition, we found 7881 novel splice junctions and 2301 differentially used alternative splicing events, enriched in genes involved in regulatory processes. We demonstrated experimentally cell-specific isoform usage, identifying nuclear factor I/B (NFIB) as a regulator of megakaryocyte maturation-the platelet precursor. Our data highlight the complexity of fating events in closely related progenitor populations, the understanding of which is essential for the advancement of transplantation and regenerative medicine.

Hematopoietic stem cells give rise to all blood cells in a differentiation process that involves widespread epigenome remodeling. Here we present genome-wide reference maps of the associated DNA methylation dynamics. We used a meta-epigenomic approach that combines DNA methylation profiles across many small pools of cells and performed single-cell methylome sequencing to assess cell-to-cell heterogeneity. The resulting dataset identified characteristic differences between HSCs derived from fetal liver, cord blood, bone marrow, and peripheral blood. We also observed lineage-specific DNA methylation between myeloid and lymphoid progenitors, characterized immature multi-lymphoid progenitors, and detected progressive DNA methylation differences in maturing megakaryocytes. We linked these patterns to gene expression, histone modifications, and chromatin accessibility, and we used machine learning to derive a model of human hematopoietic differentiation directly from DNA methylation data. Our results contribute to a better understanding of human hematopoietic stem cell differentiation and provide a framework for studying blood-linked diseases.

Providing a molecular characterisation of cardiometabolic syndrome (CMS) could improve our understanding of its pathogenesis and pathophysiology, and provide a step toward the development of better treatments. To this end, we performed a deep phenotyping analysis of 185 blood donors, 10 obese, and 10 lipodystrophy patients. We analysed transcriptomes and epigenomes of monocytes, neutrophils, macrophages and platelets. Additionally, plasma metabolites including lipids and biochemistry measurements were quantified. Multi-omics integration of this data allowed us to identify combinations of features related to patient status and to order the donor population according to their molecular similarity to patients. We also performed differential analyses on epigenomic, transcriptomic and plasma proteomic data collected from obese individuals before and six months after bariatric surgery. These analyses revealed a pattern of abnormal activation of immune cells in obese individuals and lipodystrophy patients, which was partially reverted six months after bariatric surgery.

Neutrophils play fundamental roles in innate inflammatory response, shape adaptive immunity, and have been identified as a potentially causal cell type underpinning genetic associations with immune system traits and diseases. The majority of these variants are non-coding and the underlying mechanisms are not fully understood. Here, we profiled the binding of one of the principal myeloid transcriptional regulators, PU.1, in primary neutrophils across nearly a hundred volunteers, and elucidate the coordinated genetic effects of PU.1 binding variation, local chromatin state, promoter-enhancer interactions and gene expression. We show that PU.1 binding and the associated chain of molecular changes underlie genetically-driven differences in cell count and autoimmune disease susceptibility. Our results advance interpretation for genetic loci associated with neutrophil biology and immune disease.

BackgroundObesity rates have nearly tripled in the past 50 years, and by 2030 more than 1 billion individuals worldwide are projected to be obese. This creates a significant economic strain due to the associated non-communicable diseases. The root cause is an energy expenditure imbalance, owing to an interplay of lifestyle, environmental, and genetic factors. Obesity has a polygenic genetic architecture; however, single genetic variants with large effect size are etiological in a minority of cases. These variants allowed the discovery of novel genes and biology relevant to weight regulation and ultimately led to the development of novel specific treatments.MethodsWe used a case-control approach to determine metabolic differences between individuals homozygous for a loss-of-function genetic variant in the small integral membrane protein 1 (SMIM1) and the general population, leveraging data from five cohorts. Metabolic characterization of SMIM1−/− individuals was performed using plasma biochemistry, calorimetric chamber, and DXA scan.FindingsWe found that individuals homozygous for a loss-of-function genetic variant in SMIM1 gene, underlying the blood group Vel, display excess body weight, dyslipidemia, altered leptin to adiponectin ratio, increased liver enzymes, and lower thyroid hormone levels. This was accompanied by a reduction in resting energy expenditure.ConclusionThis research identified a novel genetic predisposition to being overweight or obese. It highlights the need to investigate the genetic causes of obesity to select the most appropriate treatment given the large cost disparity between them.FundingThis work was funded by the National Institute of Health Research, British Heart Foundation, and NHS Blood and Transplant.

In the current understanding of adult bone marrow hematopoiesis, megakaryocytes (MKs) originate from cells immuno-phenotypically indistinguishable from hematopoietic stem cells (HSCs), bypassing intermediate progenitors. Here, we use single cell RNA sequencing to characterize HSCs and MKs from human bone marrow, to investigate MK lineage commitment and maturation. We identify two MK primed HSC clusters exhibiting unique differentiation kinetics, at least one of which is used in steady state and stress thrombopoiesis. By analyzing transcriptional signatures we show that human bone marrow MKs originate from MK primed HSC subpopulations, supporting the notion that these display exclusive priming for MK differentiation. We show that transcriptional programs change with increasing MK ploidy, where genes upregulated in high ploidy states may have functional relevance in platelet production. Finally, we highlight the presence of a specific transcriptional signature in MKs from individuals with myocardial infarction, supporting the aberration of MK differentiation in this thrombotic state.

Neutrophils and monocytes provide a first line of defense against infections as part of the innate immune system. Here we report the integrated analysis of transcriptomic and epigenetic landscapes for circulating monocytes and neutrophils with the aim to enable downstream interpretation and functional validation of key regulatory elements in health and disease. We collected RNA-seq data, ChIP-seq of six histone modifications and of DNA methylation by bisulfite sequencing at base pair resolution from up to 6 individuals per cell type. Chromatin segmentation analyses suggested that monocytes have a higher number of cell-specific enhancer regions (4-fold) compared to neutrophils. This highly plastic epigenome is likely indicative of the greater differentiation potential of monocytes into macrophages, dendritic cells and osteoclasts. In contrast, most of the neutrophil-specific features tend to be characterized by repressed chromatin, reflective of their status as terminally differentiated cells. Enhancers were the regions where most of differences in DNA methylation between cells were observed, with monocyte-specific enhancers being generally hypomethylated. Monocytes show a substantially higher gene expression levels than neutrophils, in line with epigenomic analysis revealing that gene more active elements in monocytes. Our analyses suggest that the overexpression of c-Myc in monocytes and its binding to monocyte-specific enhancers could be an important contributor to these differences. Altogether, our study provides a comprehensive epigenetic chart of chromatin states in primary human neutrophils and monocytes, thus providing a valuable resource for studying the regulation of the human innate immune system.