The reference human genome sequence set the stage for studies of genetic variation and its association with human disease, but epigenomic studies lack a similar reference. To address this need, the NIH Roadmap Epigenomics Consortium generated the largest collection so far of human epigenomes for primary cells and tissues. Here we describe the integrative analysis of 111 reference human epigenomes generated as part of the programme, profiled for histone modification patterns, DNA accessibility, DNA methylation and RNA expression. We establish global maps of regulatory elements, define regulatory modules of coordinated activity, and their likely activators and repressors. We show that disease- and trait-associated genetic variants are enriched in tissue-specific epigenomic marks, revealing biologically relevant cell types for diverse human traits, and providing a resource for interpreting the molecular basis of human disease. Our results demonstrate the central role of epigenomic information for understanding gene regulation, cellular differentiation and human disease.

Human embryonic stem cells (hESCs) share an identical genome with lineage-committed cells, yet possess the remarkable properties of self-renewal and pluripotency. The diverse cellular properties in different cells have been attributed to their distinct epigenomes, but how much epigenomes differ remains unclear. Here, we report that epigenomic landscapes in hESCs and lineage-committed cells are drastically different. By comparing the chromatin-modification profiles and DNA methylomes in hESCs and primary fibroblasts, we find that nearly one-third of the genome differs in chromatin structure. Most changes arise from dramatic redistributions of repressive H3K9me3 and H3K27me3 marks, which form blocks that significantly expand in fibroblasts. A large number of potential regulatory sequences also exhibit a high degree of dynamics in chromatin modifications and DNA methylation. Additionally, we observe novel, context-dependent relationships between DNA methylation and chromatin modifications. Our results provide new insights into epigenetic mechanisms underlying properties of pluripotency and cell fate commitment.

Epigenetic mechanisms have been proposed to play crucial roles in mammalian development, but their precise functions are only partially understood. To investigate epigenetic regulation of embryonic development, we differentiated human embryonic stem cells into mesendoderm, neural progenitor cells, trophoblast-like cells, and mesenchymal stem cells and systematically characterized DNA methylation, chromatin modifications, and the transcriptome in each lineage. We found that promoters that are active in early developmental stages tend to be CG rich and mainly engage H3K27me3 upon silencing in nonexpressing lineages. By contrast, promoters for genes expressed preferentially at later stages are often CG poor and primarily employ DNA methylation upon repression. Interestingly, the early developmental regulatory genes are often located in large genomic domains that are generally devoid of DNA methylation in most lineages, which we termed DNA methylation valleys (DMVs). Our results suggest that distinct epigenetic mechanisms regulate early and late stages of ES cell differentiation.

Methods for profiling DNA methylation differ in the physical principles used to detect modified cytosines. Harris et al. compare the performances of four sequencing-based technologies for genome-wide analysis of DNA methylation and combine two methods to enable detection of allelic differences in epigenetic marks. Analysis of DNA methylation patterns relies increasingly on sequencing-based profiling methods. The four most frequently used sequencing-based technologies are the bisulfite-based methods MethylC-seq and reduced representation bisulfite sequencing (RRBS), and the enrichment-based techniques methylated DNA immunoprecipitation sequencing (MeDIP-seq) and methylated DNA binding domain sequencing (MBD-seq). We applied all four methods to biological replicates of human embryonic stem cells to assess their genome-wide CpG coverage, resolution, cost, concordance and the influence of CpG density and genomic context. The methylation levels assessed by the two bisulfite methods were concordant (their difference did not exceed a given threshold) for 82% for CpGs and 99% of the non-CpG cytosines. Using binary methylation calls, the two enrichment methods were 99% concordant and regions assessed by all four methods were 97% concordant. We combined MeDIP-seq with methylation-sensitive restriction enzyme (MRE-seq) sequencing for comprehensive methylome coverage at lower cost. This, along with RNA-seq and ChIP-seq of the ES cells enabled us to detect regions with allele-specific epigenetic states, identifying most known imprinted regions and new loci with monoallelic epigenetic marks and monoallelic expression.

While genetic mutation is a hallmark of cancer, many cancers also acquire epigenetic alterations during tumorigenesis including aberrant DNA hypermethylation of tumor suppressors, as well as changes in chromatin modifications as caused by genetic mutations of the chromatin-modifying machinery. However, the extent of epigenetic alterations in cancer cells has not been fully characterized. Here, we describe complete methylome maps at single nucleotide resolution of a low-passage breast cancer cell line and primary human mammary epithelial cells. We find widespread DNA hypomethylation in the cancer cell, primarily at partially methylated domains (PMDs) in normal breast cells. Unexpectedly, genes within these regions are largely silenced in cancer cells. The loss of DNA methylation in these regions is accompanied by formation of repressive chromatin, with a significant fraction displaying allelic DNA methylation where one allele is DNA methylated while the other allele is occupied by histone modifications H3K9me3 or H3K27me3. Our results show a mutually exclusive relationship between DNA methylation and H3K9me3 or H3K27me3. These results suggest that global DNA hypomethylation in breast cancer is tightly linked to the formation of repressive chromatin domains and gene silencing, thus identifying a potential epigenetic pathway for gene regulation in cancer cells.

Significance We report on generation of nontransgenic, naïve human pluripotent cells that represent the developmentally earliest state described for human established cells. Existing human ES cell lines in the later primed state can be toggled in reverse to naïve by exposure to histone deacetylase inhibitors prior to naïve culture. A new line was established directly from an eight-cell embryo under naïve culture conditions. We describe the naïve state in humans and show that naïve human ES cells have expanded endoderm developmental capacity.

We have tested the specificity and utility of more than 200 antibodies raised against 57 different histone modifications in Drosophila melanogaster, Caenorhabditis elegans and human cells. Although most antibodies performed well, more than 25% failed specificity tests by dot blot or western blot. Among specific antibodies, more than 20% failed in chromatin immunoprecipitation experiments. We advise rigorous testing of histone-modification antibodies before use, and we provide a website for posting new test results (http://compbio.med.harvard.edu/antibodies/).