Abstract Chromatin profiling studies have shown the importance of gene regulation in driving heritability and environmental risk of brain disorders. Acetylation of histone H3 lysine 27 (H3K27ac) has emerged as an informative disease-associated epigenetic mark. However, cell type-specific contributions to epigenetic dysregulation in disease are unclear as studies have often used bulk brain tissue. Therefore, methods for the deconvolution of bulk H3K27ac profiles are critical. Here we developed the Cell type-specific Histone Acetylation Score (CHAS), a computational tool for inferring cell type-specific signatures in bulk brain H3K27ac profiles. CHAS annotates peaks identified in bulk brain studies of H3K27ac to cell type-specific signals in four major brain cell types, and derives cell type-specific histone acetylation scores as a proxy for cell type proportion. Our method was validated in pseudo-bulk samples and applied to three brain disorder epigenome-wide association studies conducted on bulk brain tissue. CHAS exposed shifts in cellular proportions in Alzheimer’s disease (AD), in line with neuropathology, and identified disrupted gene regulatory elements in oligodendrocytes in AD and microglia in autism spectrum disorder (ASD). This contrasts with heritability-based enrichment analyses which indicate genetic risk is associated with microglia in AD and neurons in ASD. Our approach identified cell type specific signalling pathways and putative upstream transcription factors associated with these elements. CHAS enables deconvolution of H3K27ac in bulk brain tissue, yielding cell type-specific biological insights into brain disease-associated regulatory variation.

Microglia play a key role in the response to amyloid beta in Alzheimer's disease (AD). In this context, a major transcriptional response of microglia is the upregulation of APOE, the strongest late-onset AD risk gene. Of its three isoforms, APOE2 is thought to be protective, while APOE4 increases AD risk. We hypothesised that the isoforms functionally alter microglia by shaping their transcriptomic and chromatin landscapes. We used RNA- and ATAC-sequencing to profile gene expression and chromatin accessibility of human microglia isolated from a xenotransplantation model of AD. We identified widespread transcriptomic and epigenomic differences which are dependent on APOE genotype, and are corroborated across the profiling assays. Our results indicate that impaired microglial proliferation, migration and immune responses may contribute to the increased risk for late-onset AD in APOE4 carriers, while increased DNA-binding of the vitamin D receptor in APOE2 microglia may contribute to the isoform's protective role.