Abstract While a rich set of putative cis -regulatory sequences involved in mouse fetal development has been annotated recently based on chromatin accessibility and histone modification patterns, delineating their role in developmentally regulated gene expression continues to be challenging. To fill this gap, we mapped chromatin contacts between gene promoters and distal sequences genome-wide in seven mouse fetal tissues, and for one of them, across six developmental stages. We identified 248,620 long-range chromatin interactions centered at 14,138 protein-coding genes and characterized their tissue-to-tissue variations as well as developmental dynamics. Integrative analysis of the interactome with previous epigenome and transcriptome datasets from the same tissues revealed a strong correlation between the chromatin contacts and chromatin state at distal enhancers, as well as gene expression patterns at predicted target genes. We predicted target genes of 15,098 candidate enhancers, and used them to annotate target genes of homologous candidate enhancers in the human genome that harbor risk variants of human diseases. We present evidence that schizophrenia and other adult disease risk variants are frequently found in fetal enhancers, providing support for the hypothesis of fetal origins of adult diseases.

Hi-C and chromatin immunoprecipitation (ChIP) have been combined to identify long-range chromatin interactions genome-wide at reduced cost and enhanced resolution, but extracting the information from the resulting datasets has been challenging. Here we describe a computational method, MAPS, Model-based Analysis of PLAC-seq and HiChIP, to process the data from such experiments and identify long-range chromatin interactions. MAPS adopts a zero-truncated Poisson regression framework to explicitly remove systematic biases in the PLAC-seq and HiChIP datasets, and then uses the normalized chromatin contact frequencies to identify significant chromatin interactions anchored at genomic regions bound by the protein of interest. MAPS shows superior performance over existing software tools in analysis of chromatin interactions centered on cohesin, CTCF and H3K4me3 associated regions in multiple cell types. MAPS is freely available at https://github.com/ijuric/MAPS.

Embryogenesis requires epigenetic information that allows each cell to respond appropriately to developmental cues. Histone modifications are core components of a cells epigenome, giving rise to chromatin states that modulate genome function. Here, we systematically profile histone modifications in a diverse panel of mouse tissues at 8 developmental stages from 10.5 days post conception until birth, performing a total of 1,128 ChIP-seq assays across 72 distinct tissue-stages. We combine these histone modification profiles into a unified set of chromatin state annotations, and track their activity across developmental time and space. Through integrative analysis we identify dynamic enhancers, reveal key transcriptional regulators, and characterize the role of chromatin-based repression in developmental gene regulation. We also leverage these data to link enhancers to putative target genes, revealing connections between coding and non-coding sequence variation in disease etiology. Our study provides a compendium of resources for biomedical researchers, and achieves the most comprehensive view of embryonic chromatin states to date.

Genome-wide analysis of chromatin accessibility in primary tissues has uncovered millions of candidate regulatory sequences in the human and mouse genomes. However, the heterogeneity of biological samples used in previous studies has prevented a precise understanding of the dynamic chromatin landscape in specific cell types. Here, we show that analysis of the transposase-accessible-chromatin in single nuclei isolated from frozen tissue samples can resolve cellular heterogeneity and delineate transcriptional regulatory sequences in the constituent cell types. Our strategy is based on a combinatorial barcoding assisted single cell assay for transposase-accessible chromatin and is optimized for nuclei from flash-frozen primary tissue samples (snATAC-seq). We used this method to examine the mouse forebrain at seven development stages and in adults. From snATAC-seq profiles of more than 15,000 high quality nuclei, we identify 20 distinct cell populations corresponding to major neuronal and non-neuronal cell-types in foetal and adult forebrains. We further define cell-type specific cis regulatory sequences and infer potential master transcriptional regulators of each cell population. Our results demonstrate the feasibility of a general approach for identifying cell-type-specific cis regulatory sequences in heterogeneous tissue samples, and provide a rich resource for understanding forebrain development in mammals.