Significance For the 2m DNA to fit into the tiny cell nucleus, it is wrapped around nucleosomes and folded into loops clustering together in domains. Genome function depends on this 3D-organization, especially on-going dynamic processes like transcription. Techniques studying the network of DNA contacts genome-wide have recently revealed this 3D architecture, but the protein factors behind this are not understood. We study two proteins that are known to help form DNA loops: cohesin and CTCC-binding factor (CTCF). Respective depletion and analysis of DNA contacts genome-wide show that CTCF is required to separate neighboring folding domains and keep cohesin in place, whereas cohesin is important for shaping the domains. Consistently, we observe different changes of gene expression.

Pseudo-TORCH syndrome (PTS) is characterized by microcephaly, enlarged ventricles, cerebral calcification, and, occasionally, by systemic features at birth resembling the sequelae of congenital infection but in the absence of an infectious agent. Genetic defects resulting in activation of type 1 interferon (IFN) responses have been documented to cause Aicardi-Goutières syndrome, which is a cause of PTS. Ubiquitin-specific peptidase 18 (USP18) is a key negative regulator of type I IFN signaling. In this study, we identified loss-of-function recessive mutations of USP18 in five PTS patients from two unrelated families. Ex vivo brain autopsy material demonstrated innate immune inflammation with calcification and polymicrogyria. In vitro, patient fibroblasts displayed severely enhanced IFN-induced inflammation, which was completely rescued by lentiviral transduction of USP18. These findings add USP18 deficiency to the list of genetic disorders collectively termed type I interferonopathies. Moreover, USP18 deficiency represents the first genetic disorder of PTS caused by dysregulation of the response to type I IFNs. Therapeutically, this places USP18 as a promising target not only for genetic but also acquired IFN-mediated CNS disorders.

Abstract Perturbation and mechanistic studies have shown that the DNA-binding transcription factor Zeb2 controls cell fate decision and differentiation and/or maturation in multiple cell lineages in embryos and after birth. In cultured embryonic stem cells (ESCs) Zeb2 ’s strong upregulation is necessary for the exit from primed pluripotency and for entering general and neural differentiation. We edited mouse ESCs to produce epitope-tagged Zeb2 from one of its two endogenous alleles. Using ChIP-sequencing, we mapped 2,432 DNA-binding sites of Zeb2 in ESC-derived neuroprogenitor cells (NPCs). A new, major site maps promoter-proximal to Zeb2 itself, and its homozygous removal demonstrates that Zeb2 autoregulation is necessary to elicit proper Zeb2-dependent effects in NPC differentiation. We then cross-referenced all Zeb2 DNA-binding sites with transcriptome data from Zeb2 perturbations in ESCs, ventral forebrain in mouse embryos, and adult neurogenesis from the mouse forebrain V-SVZ. While the characteristics of these neurodevelopmental systems differ, we still find interesting overlaps. This contributes to explaining neurodevelopmental disorders caused by ZEB2 deficiency, including Mowat-Wilson Syndrome.

Abstract The dynamic three-dimensional chromatin architecture of genomes and its co-evolutionary connection to its function – the storage, expression, and replication of genetic information – is still one of the central issues in biology. Here, we describe the much debated 3D-architecture of the human and mouse genomes from the nucleosomal to the megabase pair level by a novel approach combining selective high-throughput high-resolution chromosomal interaction capture (T2C), polymer simulations, and scaling analysis of the 3D-architecture and the DNA sequence: The genome is compacted into a chromatin quasi-fibre with ∼5±1 nucleosomes/11nm, folded into stable ∼30-100 kbp loops forming stable loop aggregates/rosettes connected by similar sized linkers. Minor but significant variations in the architecture are seen between cell types/functional states. The architecture and the DNA sequence show very similar fine-structured multi-scaling behaviour confirming their co-evolution and the above. This architecture, its dynamics, and accessibility balance stability and flexibility ensuring genome integrity and variation enabling gene expression/regulation by self-organization of (in)active units already in proximity. Our results agree with the heuristics of the field and allow “architectural sequencing” at a genome mechanics level to understand the inseparable systems genomic properties.

Abstract Background Synovial joints form in several steps, starting with the formation of an interzone, a condensation of mesenchymal cells at the sites of prospective joints. Despite the identification of multiple factors essential for formation of interzone, little is known about the regulation of their spatio-temporal gene expression during that process in limb development. Here, we investigated the cis- regulatory landscape of the Wnt-modulator encoding genes DACT2 and SMOC2 , both expressed in the forming joint interzone. Results Mechanically collected interzone and phalange samples, respectively, from chick embryos were found to express acknowledged marker genes ( GDF5 and MATN1 ), as well as DACT2 and SMOC2 . Using Targeted Chromatin Capture (T2C) we characterized the 3D chromatin structure of a ~3.45 Mb-long region encompassing DACT2 and SMOC2 , which revealed differences at sub-TAD level between interzones and phalange. We identified candidate enhancers (CEs) based on H3-histone marks (H3K427ac and H3K4me1) located in close proximity to the promoters of DACT2 and SMOC2 , and further documented these CEs in a zebrafish enhancer assay. Conclusions Our approach yields new insight into the regulation, in dynamic chromatin context, of two Wnt-signaling modulatory genes during synovial joint induction.

Patients born with esophageal atresia (EA) have a 30 times higher prevalence of infantile hypertrophic pyloric stenosis (IHPS). This makes sense from a developmental perspective as both the esophagus and the pyloric sphincter are foregut derived structures. EA and IHPS are variable features in several (monogenetic) syndromes. This, and twin and familial studies, indicates a genetic component for both conditions as single entities. We hypothesized that genetic defects, disturbing foregut morphogenesis, are responsible for this combination of malformations. Non-genetic factors could also contribute, as mice exposed to Adriamycin develop EA and in utero diethylstilbestrol exposure is associated with EA. We investigated the copy number profiles and protein coding variants of 15 patients with both EA and IHPS. As all parents were unaffected, we first considered dominant (de novo) or recessive inheritance models but could not identify putatively deleterious mutations or recessive variants. We did identify inherited variants in genes either known to be involved in EA or IHPS or important in foregut morphogenesis in all patients. Unfortunately, variant burden analysis did not show a significant difference with unaffected controls. However, the IHPS associated risk SNP rs1933683 had a significantly higher incidence (OR 3.29, p=0.009). Although the genetic variation in likely candidate genes as well as the predisposing locus near BARX1 (rs1933683) suggest a genetic component, it does not fully explain the abnormalities seen in these patients. Therefore, we hypothesize that a combination of high impact genetic, mechanical and environmental factors together can shift the balance to abnormal development.

Abstract Evasion from drug-induced apoptosis is a crucial mechanism of cancer treatment resistance. The pro-apoptotic protein NOXA marks an aggressive pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) subtype. To identify drugs that unleash the death-inducing potential of NOXA, we performed an unbiased drug screening experiment. In NOXA -deficient isogenic cellular models we identified an inhibitor of the transcription factor heterodimer CBFβ/RUNX1. By genetic gain and loss of function experiments we validated that the mode of action depends on RUNX1 and NOXA. Of note, RUNX1 expression is significantly higher in PDACs compared to normal pancreas. We show that pharmacological RUNX1 inhibition significantly blocks tumor growth in vivo and in primary patient-derived PDAC organoids. Through genome wide analysis, we detected that RUNX1 -loss reshapes the epigenetic landscape, which gains H3K27ac enrichment at the NOXA promoter. Our study demonstrates a previously unknown mechanism of NOXA-dependent cell death, which can be triggered pharmaceutically. Therefore, our data show a novel way to target a therapy resistant PDAC, an unmet clinical need. Significance Recent evidence demonstrated the existence of molecular subtypes in pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC), which resist all current therapies. The paucity of therapeutic options, including a complete lack of targeted therapies, underscore the urgent and unmet medical need for the identification of targets and novel treatment strategies for PDAC. Our study unravels a function of the transcription factor RUNX1 in apoptosis regulation in PDAC. We show that pharmacological RUNX1 inhibition in PDAC is feasible and leads to NOXA-dependent apoptosis. The development of targeted therapies that influence the transcriptional landscape of PDAC might have great benefits for patients who are resistant to conventional therapies. RUNX1 Inhibition as a new therapeutic intervention offers an attractive strategy for future therapies.

Abstract Background Alveolar capillary dysplasia with misalignment of pulmonary veins (ACD/MPV) is a fatal congenital lung disorder strongly associated with genomic alterations in the Forkhead box F1 (FOXF1) gene and its regulatory region. However, little is known about how FOXF1 genomic alterations cause ACD/MPV and what molecular mechanisms are affected by these mutations. Therefore, the effect of ACD/MPV patient-specific mutations in the FOXF1 gene on the molecular function of FOXF1 was studied. Methods Epitope-tagged FOXF1 constructs containing one of the ACD/MPV-associated mutations were expressed in mammalian cell lines to study the effect of FOXF1 mutations on protein function. EMSA binding assays and luciferase assays were performed to study the effect on target gene binding and activation. Immunoprecipitation followed by SDS‒PAGE and western blotting were used to study protein‒protein interactions. Protein phosphorylation was studied using phos-tag western blotting. Results An overview of the localization of ACD/MPV-associated FOXF1 mutations revealed that the G91-S101 region was frequently mutated. A three-dimensional model of the forkhead DNA-binding domain of FOXF1 showed that the G91-S101 region consists of an α-helix and is predicted to be important for DNA binding. We showed that FOXF1 missense mutations in this region differentially affect the DNA binding of the FOXF1 protein and influence the transcriptional regulation of target genes depending on the location of the mutation. Furthermore, we showed that some of these mutations can affect the FOXF1 protein at the posttranscriptional level, as shown by altered phosphorylation by MST1 and MST2 kinases. Conclusion Missense mutations in the coding region of the FOXF1 gene alter the molecular function of the FOXF1 protein at multiple levels, such as phosphorylation, DNA binding and target gene activation. These results indicate that FOXF1 molecular pathways may be differentially affected in ACD/MPV patients carrying missense mutations in the DNA-binding domain and may explain the phenotypic heterogeneity of ACD/MPV.

ABSTRACT Cornelia de Lange syndrome (CdLS) is a rare developmental disorder caused by mutations in genes related to the cohesin complex. For its association with chromatin, cohesin depends on a heterodimer formed by NIPBL and MAU2, which interact via their respective N-termini. Variants in NIPBL are the main cause of CdLS and result in NIPBL haploinsufficiency. Using CRISPR, we generated cells homozygous for an out-of-frame duplication in NIPBL . Remarkably, alternative translation initiation rescued NIPBL expression in these cells and produced an N-terminally truncated NIPBL that lacks MAU2-interaction domain, causing a dramatic reduction of MAU2 protein levels. Strikingly, this protective mechanism allows nearly normal amounts of cohesin to be loaded onto chromatin in a manner that is independent of functional NIPBL/MAU2 complexes and therefore in contrast to previous findings. We also report the first pathogenic variant in MAU2 , a deletion of seven amino acids important for wrapping the N-terminus of NIPBL within MAU2. The mutation causes dramatic reduction of MAU2 heterodimerization with NIPBL, hence undermining the stability of both proteins. Our data confirm NIPBL haploinsufficiency as the major pathogenic mechanism of CdLS and give new insights into the molecular mechanisms responsible for this neurodevelopmental disorder. Our work also unveils an alternative translation-based mechanism that protects cells from out-of-frame variants of NIPBL and that may be of relevance in other genetic conditions.