Abstract The human and mouse genomes contain instructions that specify RNAs and proteins and govern the timing, magnitude, and cellular context of their production. To better delineate these elements, phase III of the Encyclopedia of DNA Elements (ENCODE) Project has expanded analysis of the cell and tissue repertoires of RNA transcription, chromatin structure and modification, DNA methylation, chromatin looping, and occupancy by transcription factors and RNA-binding proteins. Here we summarize these efforts, which have produced 5,992 new experimental datasets, including systematic determinations across mouse fetal development. All data are available through the ENCODE data portal ( https://www.encodeproject.org ), including phase II ENCODE 1 and Roadmap Epigenomics 2 data. We have developed a registry of 926,535 human and 339,815 mouse candidate cis -regulatory elements, covering 7.9 and 3.4% of their respective genomes, by integrating selected datatypes associated with gene regulation, and constructed a web-based server (SCREEN; http://screen.encodeproject.org ) to provide flexible, user-defined access to this resource. Collectively, the ENCODE data and registry provide an expansive resource for the scientific community to build a better understanding of the organization and function of the human and mouse genomes.

Biological systems are acknowledged to be robust to perturbations but a rigorous understanding of this has been elusive. In a mathematical model, perturbations often exert their effect through parameters, so sizes and shapes of parametric regions offer an integrated global estimate of robustness. Here, we explore this “parameter geography” for bistability in post-translational modification (PTM) systems. We use the previously developed “linear framework” for timescale separation to describe the steady-states of a two-site PTM system as the solutions of two polynomial equations in two variables, with eight non-dimensional parameters. Importantly, this approach allows us to accommodate enzyme mechanisms of arbitrary complexity beyond the conventional Michaelis-Menten scheme, which unrealistically forbids product rebinding. We further use the numerical algebraic geometry tools Bertini, Paramotopy, and alphaCertified to statistically assess the solutions to these equations at ∼109 parameter points in total. Subject to sampling limitations, we find no bistability when substrate amount is below a threshold relative to enzyme amounts. As substrate increases, the bistable region acquires 8-dimensional volume which increases in an apparently monotonic and sigmoidal manner towards saturation. The region remains connected but not convex, albeit with a high visibility ratio. Surprisingly, the saturating bistable region occupies a much smaller proportion of the sampling domain under mechanistic assumptions more realistic than the Michaelis-Menten scheme. We find that bistability is compromised by product rebinding and that unrealistic assumptions on enzyme mechanisms have obscured its parametric rarity. The apparent monotonic increase in volume of the bistable region remains perplexing because the region itself does not grow monotonically: parameter points can move back and forth between monostability and bistability. We suggest mathematical conjectures and questions arising from these findings. Advances in theory and software now permit insights into parameter geography to be uncovered by high-dimensional, data-centric analysis.

Transcriptional dysregulation drives cancer formation but the underlying mechanisms are still poorly understood. As a model system, we used renal cell carcinoma (RCC), the most common malignant kidney tumor which canonically activates the hypoxia-inducible transcription factor (HIF) pathway. We performed genome-wide chromatin accessibility and transcriptome profiling on paired tumor/normal samples and found that numerous transcription factors with a RCC-selective expression pattern also demonstrated evidence of HIF binding in the vicinity of their gene body. Some of these transcription factors influenced the tumor's regulatory landscape, notably the stem cell transcription factor POU5F1 (OCT4). Unexpectedly, we discovered a HIF-pathway-responsive cryptic promoter embedded within a human-specific retroviral repeat element that drives POU5F1 expression in RCC via a novel transcript. Elevated POU5F1 expression levels were correlated with advanced tumor stage and poorer overall survival in RCC patients. Thus, integrated transcriptomic and epigenomic analysis of even a small number of primary patient samples revealed remarkably convergent shared regulatory landscapes and a novel mechanism for dysregulated expression of POU5F1 in RCC.