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.

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.

Innate immune memory is the phenomenon whereby innate immune cells such as monocytes or macrophages undergo functional reprogramming after exposure to microbial components such as lipopolysaccharide (LPS). We apply an integrated epigenomic approach to characterize the molecular events involved in LPS-induced tolerance in a time-dependent manner. Mechanistically, LPS-treated monocytes fail to accumulate active histone marks at promoter and enhancers of genes in the lipid metabolism and phagocytic pathways. Transcriptional inactivity in response to a second LPS exposure in tolerized macrophages is accompanied by failure to deposit active histone marks at promoters of tolerized genes. In contrast, β-glucan partially reverses the LPS-induced tolerance in vitro. Importantly, ex vivo β-glucan treatment of monocytes from volunteers with experimental endotoxemia re-instates their capacity for cytokine production. Tolerance is reversed at the level of distal element histone modification and transcriptional reactivation of otherwise unresponsive genes. VIDEO ABSTRACT.

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.