A BLUEPRINT of immune cell development To determine the epigenetic mechanisms that direct blood cells to develop into the many components of our immune system, the BLUEPRINT consortium examined the regulation of DNA and RNA transcription to dissect the molecular traits that govern blood cell differentiation. By inducing immune responses, Saeed et al. document the epigenetic changes in the genome that underlie immune cell differentiation. Cheng et al. demonstrate that trained monocytes are highly dependent on the breakdown of sugars in the presence of oxygen, which allows cells to produce the energy needed to mount an immune response. Chen et al. examine RNA transcripts and find that specific cell lineages use RNA transcripts of different length and composition (isoforms) to form proteins. Together, the studies reveal how epigenetic effects can drive the development of blood cells involved in the immune system. Science , this issue 10.1126/science.1251086 , 10.1126/science.1250684 , 10.1126/science.1251033

Many common variants have been associated with hematological traits, but identification of causal genes and pathways has proven challenging. We performed a genome-wide association analysis in the UK Biobank and INTERVAL studies, testing 29.5 million genetic variants for association with 36 red cell, white cell, and platelet properties in 173,480 European-ancestry participants. This effort yielded hundreds of low frequency (<5%) and rare (<1%) variants with a strong impact on blood cell phenotypes. Our data highlight general properties of the allelic architecture of complex traits, including the proportion of the heritable component of each blood trait explained by the polygenic signal across different genome regulatory domains. Finally, through Mendelian randomization, we provide evidence of shared genetic pathways linking blood cell indices with complex pathologies, including autoimmune diseases, schizophrenia, and coronary heart disease and evidence suggesting previously reported population associations between blood cell indices and cardiovascular disease may be non-causal.

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.

Summary Neutrophils are short-lived blood cells that play a critical role in host defense against infections. To better comprehend neutrophil functions and their regulation, we provide a complete epigenetic and functional overview of their differentiation stages from bone marrow-residing progenitors to mature circulating cells. Integration of epigenetic and transcriptome dynamics reveals an enforced regulation of differentiation, through cellular functions such as: release of proteases, respiratory burst, cell cycle regulation and apoptosis. We observe an early establishment of the cytotoxic capability, whilst the signaling components that activate antimicrobial mechanisms are transcribed at later stages, outside the bone marrow, thus preventing toxic effects in the bone marrow niche. Altogether, these data reveal how the developmental dynamics of the epigenetic landscape orchestrate the daily production of large number of neutrophils required for innate host defense and provide a comprehensive overview of the epigenomes of differentiating human neutrophils. Key points Dynamic acetylation enforces human neutrophil progenitor differentiation. Neutrophils cytotoxic capability is established early at the (pro)myelocyte stage. Coordinated signaling component expression prevents unwanted toxic effects to the bone marrow niche.

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.