Chromatin immunoprecipitation (ChIP) followed by high-throughput DNA sequencing (ChIP-seq) has become a valuable and widely used approach for mapping the genomic location of transcription-factor binding and histone modifications in living cells. Despite its widespread use, there are considerable differences in how these experiments are conducted, how the results are scored and evaluated for quality, and how the data and metadata are archived for public use. These practices affect the quality and utility of any global ChIP experiment. Through our experience in performing ChIP-seq experiments, the ENCODE and modENCODE consortia have developed a set of working standards and guidelines for ChIP experiments that are updated routinely. The current guidelines address antibody validation, experimental replication, sequencing depth, data and metadata reporting, and data quality assessment. We discuss how ChIP quality, assessed in these ways, affects different uses of ChIP-seq data. All data sets used in the analysis have been deposited for public viewing and downloading at the ENCODE (http://encodeproject.org/ENCODE/) and modENCODE (http://www.modencode.org/) portals.

From Genome to Regulatory Networks For biologists, having a genome in hand is only the beginning—much more investigation is still needed to characterize how the genome is used to help to produce a functional organism (see the Perspective by Blaxter ). In this vein, Gerstein et al. (p. 1775 ) summarize for the Caenorhabditis elegans genome, and The modENCODE Consortium (p. 1787 ) summarize for the Drosophila melanogaster genome, full transcriptome analyses over developmental stages, genome-wide identification of transcription factor binding sites, and high-resolution maps of chromatin organization. Both studies identified regions of the nematode and fly genomes that show highly occupied targets (or HOT) regions where DNA was bound by more than 15 of the transcription factors analyzed and the expression of related genes were characterized. Overall, the studies provide insights into the organization, structure, and function of the two genomes and provide basic information needed to guide and correlate both focused and genome-wide studies.

Critical considerations in the design and analysis of ChIP-seq experiments include how to align sequenced tags to the genome, how to detect binding sites and how to estimate the number of tags needed to confidently determine where a protein binds DNA. Using data set for three transcription factors, Kharchenko et al. address these considerations by comparing three novel algorithms with published computational methods. Recent progress in massively parallel sequencing platforms has enabled genome-wide characterization of DNA-associated proteins using the combination of chromatin immunoprecipitation and sequencing (ChIP-seq). Although a variety of methods exist for analysis of the established alternative ChIP microarray (ChIP-chip), few approaches have been described for processing ChIP-seq data. To fill this gap, we propose an analysis pipeline specifically designed to detect protein-binding positions with high accuracy. Using previously reported data sets for three transcription factors, we illustrate methods for improving tag alignment and correcting for background signals. We compare the sensitivity and spatial precision of three peak detection algorithms with published methods, demonstrating gains in spatial precision when an asymmetric distribution of tags on positive and negative strands is considered. We also analyze the relationship between the depth of sequencing and characteristics of the detected binding positions, and provide a method for estimating the sequencing depth necessary for a desired coverage of protein binding sites.

Chromatin is composed of DNA and a variety of modified histones and non-histone proteins, which have an impact on cell differentiation, gene regulation and other key cellular processes. Here we present a genome-wide chromatin landscape for Drosophila melanogaster based on eighteen histone modifications, summarized by nine prevalent combinatorial patterns. Integrative analysis with other data (non-histone chromatin proteins, DNase I hypersensitivity, GRO-Seq reads produced by engaged polymerase, short/long RNA products) reveals discrete characteristics of chromosomes, genes, regulatory elements and other functional domains. We find that active genes display distinct chromatin signatures that are correlated with disparate gene lengths, exon patterns, regulatory functions and genomic contexts. We also demonstrate a diversity of signatures among Polycomb targets that include a subset with paused polymerase. This systematic profiling and integrative analysis of chromatin signatures provides insights into how genomic elements are regulated, and will serve as a resource for future experimental investigations of genome structure and function. Three papers in this issue of Nature report on the modENCODE initiative, which aims to characterize functional DNA elements in the fruitfly Drosophila melanogaster and the roundworm Caenorhabditis elegans. Kharchenko et al. present a genome-wide chromatin landscape of the fruitfly, based on 18 histone modifications. They describe nine prevalent chromatin states. Integrating these analyses with other data types reveals individual characteristics of different genomic elements. Graveley et al. have used RNA-Seq, tiling microarrays and cDNA sequencing to explore the transcriptome in 30 distinct developmental stages of the fruitfly. Among the results are scores of new genes, coding and non-coding transcripts, as well as splicing and editing events. Finally, Nègre et al. have produced a map of the regulatory part of the fruitfly genome, defining a vast array of putative regulatory elements, such as enhancers, promoters, insulators and silencers. As part of the modENCODE initiative, which aims to characterize functional DNA elements in D. melanogaster and C. elegans, this study presents a genome-wide chromatin landscape of the fruitfly, based on 18 histone modifications. Nine prevalent chromatin states are described. Integrating these analyses with other data types reveals individual characteristics of different genomic elements. The work provides a resource of unprecedented scale for future experimental investigations.

Mechanistic roles for many lncRNAs are poorly understood, in part because their direct interactions with genomic loci and proteins are difficult to assess. Using a method to purify endogenous RNAs and their associated factors, we mapped the genomic binding sites for two highly expressed human lncRNAs, NEAT1 and MALAT1. We show that NEAT1 and MALAT1 localize to hundreds of genomic sites in human cells, primarily over active genes. NEAT1 and MALAT1 exhibit colocalization to many of these loci, but display distinct gene body binding patterns at these sites, suggesting independent but complementary functions for these RNAs. We also identified numerous proteins enriched by both lncRNAs, supporting complementary binding and function, in addition to unique associated proteins. Transcriptional inhibition or stimulation alters localization of NEAT1 on active chromatin sites, implying that underlying DNA sequence does not target NEAT1 to chromatin, and that localization responds to cues involved in the transcription process.

A large collection of new modENCODE and ENCODE genome-wide chromatin data sets from cell lines and developmental stages in worm, fly and human are analysed; this reveals many conserved features of chromatin organization among the three organisms, as well as notable differences in the composition and locations of repressive chromatin. This study describes numerous new genome-wide chromatin data sets from cell lines and developmental stages of Homo sapiens, Drosophila melanogaster and Caenorhabditis elegans generated by the ENCODE and modENCODE consortia. The results point to many conserved features of chromatin organization among the three organisms, while identifying differences in the composition and locations of repressive chromatin. Genome function is dynamically regulated in part by chromatin, which consists of the histones, non-histone proteins and RNA molecules that package DNA. Studies in Caenorhabditis elegans and Drosophila melanogaster have contributed substantially to our understanding of molecular mechanisms of genome function in humans, and have revealed conservation of chromatin components and mechanisms1,2,3. Nevertheless, the three organisms have markedly different genome sizes, chromosome architecture and gene organization. On human and fly chromosomes, for example, pericentric heterochromatin flanks single centromeres, whereas worm chromosomes have dispersed heterochromatin-like regions enriched in the distal chromosomal ‘arms’, and centromeres distributed along their lengths4,5. To systematically investigate chromatin organization and associated gene regulation across species, we generated and analysed a large collection of genome-wide chromatin data sets from cell lines and developmental stages in worm, fly and human. Here we present over 800 new data sets from our ENCODE and modENCODE consortia, bringing the total to over 1,400. Comparison of combinatorial patterns of histone modifications, nuclear lamina-associated domains, organization of large-scale topological domains, chromatin environment at promoters and enhancers, nucleosome positioning, and DNA replication patterns reveals many conserved features of chromatin organization among the three organisms. We also find notable differences in the composition and locations of repressive chromatin. These data sets and analyses provide a rich resource for comparative and species-specific investigations of chromatin composition, organization and function.

Oxygen sensing is central to metazoan biology and has implications for human disease. Mammalian cells express multiple oxygen-dependent enzymes called 2-oxoglutarate (OG)-dependent dioxygenases (2-OGDDs), but they vary in their oxygen affinities and hence their ability to sense oxygen. The 2-OGDD histone demethylases control histone methylation. Hypoxia increases histone methylation, but whether this reflects direct effects on histone demethylases or indirect effects caused by the hypoxic induction of the HIF (hypoxia-inducible factor) transcription factor or the 2-OG antagonist 2-hydroxyglutarate (2-HG) is unclear. Here, we report that hypoxia promotes histone methylation in a HIF- and 2-HG-independent manner. We found that the H3K27 histone demethylase KDM6A/UTX, but not its paralog KDM6B, is oxygen sensitive. KDM6A loss, like hypoxia, prevented H3K27 demethylation and blocked cellular differentiation. Restoring H3K27 methylation homeostasis in hypoxic cells reversed these effects. Thus, oxygen directly affects chromatin regulators to control cell fate.

Charles Roberts, Peter Park, Bradley Bernstein and colleagues examine the consequences of SMARCB1 loss on enhancer landscapes in human rhabdoid tumors. They show that SMARCB1 is essential for the integrity and abundance of SWI/SNF complexes and facilitates their targeting to appropriate enhancers. SMARCB1 (also known as SNF5, INI1, and BAF47), a core subunit of the SWI/SNF (BAF) chromatin-remodeling complex1,2, is inactivated in nearly all pediatric rhabdoid tumors3,4,5. These aggressive cancers are among the most genomically stable6,7,8, suggesting an epigenetic mechanism by which SMARCB1 loss drives transformation. Here we show that, despite having indistinguishable mutational landscapes, human rhabdoid tumors exhibit distinct enhancer H3K27ac signatures, which identify remnants of differentiation programs. We show that SMARCB1 is required for the integrity of SWI/SNF complexes and that its loss alters enhancer targeting—markedly impairing SWI/SNF binding to typical enhancers, particularly those required for differentiation, while maintaining SWI/SNF binding at super-enhancers. We show that these retained super-enhancers are essential for rhabdoid tumor survival, including some that are shared by all subtypes, such as SPRY1, and other lineage-specific super-enhancers, such as SOX2 in brain-derived rhabdoid tumors. Taken together, our findings identify a new chromatin-based epigenetic mechanism underlying the tumor-suppressive activity of SMARCB1.

In higher eukaryotes, up to 70% of genes have high levels of nonmethylated cytosine/guanine base pairs (CpGs) surrounding promoters and gene regulatory units. These features, called CpG islands, were identified over 20 years ago, but there remains little mechanistic evidence to suggest how these enigmatic elements contribute to promoter function, except that they are refractory to epigenetic silencing by DNA methylation. Here we show that CpG islands directly recruit the H3K36-specific lysine demethylase enzyme KDM2A. Nucleation of KDM2A at these elements results in removal of H3K36 methylation, creating CpG island chromatin that is uniquely depleted of this modification. KDM2A utilizes a zinc finger CxxC (ZF-CxxC) domain that preferentially recognizes nonmethylated CpG DNA, and binding is blocked when the CpG DNA is methylated, thus constraining KDM2A to nonmethylated CpG islands. These data expose a straightforward mechanism through which KDM2A delineates a unique architecture that differentiates CpG island chromatin from bulk chromatin.

Prognostically relevant RNA expression states exist in pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC), but our understanding of their drivers, stability, and relationship to therapeutic response is limited.To examine these attributes systematically, we profiled metastatic biopsies and matched organoid models at single-cell resolution.In vivo, we identify a new intermediate PDAC transcriptional cell state and uncover distinct site-and state-specific tumor microenvironments (TMEs).Benchmarking models against this reference map, we reveal strong culture-specific biases in cancer cell transcriptional state representation driven by altered TME signals.We restore expression state heterogeneity by adding back in vivo-relevant factors and show plasticity in culture models.Further, we prove that non-genetic modulation of cell state can strongly influence drug responses, uncovering state-specific vulnerabilities.This work provides a broadly applicable framework for aligning cell states across in vivo and ex vivo settings, identifying drivers of transcriptional plasticity and manipulating cell state to target associated vulnerabilities.