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.

Here, we introduce the 3D Genome Browser, http://3dgenome.org , which allows users to conveniently explore both their own and over 300 publicly available chromatin interaction data of different types. We design a new binary data format for Hi-C data that reduces the file size by at least a magnitude and allows users to visualize chromatin interactions over millions of base pairs within seconds. Our browser provides multiple methods linking distal cis-regulatory elements with their potential target genes. Users can seamlessly integrate thousands of other omics data to gain a comprehensive view of both regulatory landscape and 3D genome structure.

Objective To investigate the association between the weight-adjusted-waist index (WWI) and cognitive decline in elderly Americans from 2011 to 2014. Methods A cross-sectional study was conducted on 2,762 elderly participants from the National Health and Nutrition Examination (NHANES) between 2011 and 2014. WWI was calculated by dividing waist circumference (cm) by the square root of body weight (kg). Participants assessed their cognitive functions using tests such as the DSST, AFT, and CERAD W-L. In this research, multiple logistic regression, HIA, limited cubic spline (RCS), and threshold effect analysis methods were utilized to explore the relationship between cognitive decline and WWI. Results The study involved 2,762 participants aged 60 years and older, comprising 1,353 males (49%) and 1,409 females (51%), with a median age of 69.3 years (standard deviation = 6.7). The analysis revealed that the risk of cognitive decline was positively associated with the WWI. Fully adjusted models indicated significant correlations with the CERAD W-L [odds ratio (OR) = 1.24, 95% confidence interval (CI) = 1.06–1.46, p < 0.008], AFT (OR = 1.27, 95% CI = 1.08–1.49, p = 0.003), and DSST (OR = 1.56, 95% CI = 1.29–1.9, p < 0.001). Subgroup analysis demonstrated a consistent relationship across different population settings except for gender (average of interactions, p > 0.05). A J-shaped relationship between WWI and low DSST scores was observed using multivariate restricted cubic spline (RCS) regression ( P for non-linearity <0.05), with the curve steepening when WWI ≥ 12.21 cm/√kg. Additionally, the study found that WWI was more strongly associated with an increased risk of cognitive decline than other obesity indicators such as Body Mass Index (BMI), waist circumference (WC), and A Body Shape Index (ABSI). Conclusion Our data have shown a significant positive association between the WWI and a higher risk of cognitive decline in older Americans, with a J-shaped non-linear relationship between WWI and DSST. In addition, our findings indicate that WWI was associated with greater cognitive decline than other markers of obesity.

Although clonal hematopoiesis of indeterminate potential (CHIP) is an adverse prognostic factor for atherosclerotic disease, its impact on nonischemic dilated cardiomyopathy (DCM) is elusive. The authors performed whole-exome sequencing and deep target sequencing among 198 patients with DCM and detected germline mutations in cardiomyopathy-related genes and somatic mutations in CHIP driver genes. Twenty-five CHIP driver mutations were detected in 22 patients with DCM. Ninety-two patients had cardiomyopathy-related pathogenic mutations. Multivariable analysis revealed that CHIP was an independent risk factor of left ventricular reverse remodeling, irrespective of known prognostic factors. CHIP exacerbated cardiac systolic dysfunction and fibrosis in a DCM murine model. The identification of germline and somatic mutations in patients with DCM predicts clinical prognosis.

Abstract Mechanobiologic signals regulate cellular responses under physiologic and pathologic conditions. Using synthetic biology and tissue engineering, we developed a mechanically-responsive bioartificial tissue that responds to mechanical loading to produce a pre-programmed therapeutic biologic drug. By deconstructing the signaling networks induced by activation of the mechanically-sensitive ion channel transient receptor potential vanilloid 4 (TRPV4), we created synthetic TRPV4-responsive genetic circuits in chondrocytes. We engineered these cells into living tissues that respond to mechanical loading by producing the anti-inflammatory biologic drug, interleukin-1 receptor antagonist. Chondrocyte TRPV4 is activated by osmotic loading and not direct cellular deformation, suggesting tissue loading is transduced into an osmotic signal that activates TRPV4. Either osmotic or mechanical loading of tissues transduced with TRPV4-responsive circuits protected constructs from inflammatory degradation by interleukin-1α. This synthetic mechanobiology approach was used to develop a mechanogenetic system to enable long-term, autonomously regulated drug delivery driven by physiologically-relevant loading.

Abstract The mechanosensitive ion channels Transient Receptor Potential Vanilloid 4 (TRPV4) and PIEZO1 transduce physiologic and supraphysiologic magnitudes of mechanical signals in the chondrocyte, respectively. TRPV4 activation promotes chondrogenesis, while PIEZO1 activation by supraphysiologic deformations drives cell death. The mechanisms by which activation of these channels discretely drives changes in gene expression to alter cell behavior remain to be determined. To date, no studies have contrasted the transcriptomic response to activation of these channels nor has any published data attempted to correlate these transcriptomes to alterations in cellular function. This study used RNA sequencing to comprehensively investigate the transcriptomes associated with activation of TRPV4 or PIEZO1, revealing that TRPV4 and PIEZO drive distinct transcriptomes and also exhibit unique co‐regulated clusters of genes. Notably, activation of PIEZO1 through supraphysiologic deformation induced a transient inflammatory profile that overlapped with the interleukin (IL)‐1‐responsive transcriptome and contained genes associated with cartilage degradation and osteoarthritis progression. However, both TRPV4 and PIEZO1 were also shown to elicit anabolic effects. PIEZO1 expression promoted a pro‐chondrogenic transcriptome under unloaded conditions, and daily treatment with PIEZO1 agonist Yoda1 significantly increased sulfated glycosaminoglycan deposition in vitro. These findings emphasize the presence of a broad “mechanome” with distinct effects of TRPV4 and PIEZO1 activation in chondrocytes, suggesting complex roles for PIEZO1 in both the physiologic and pathologic responses of chondrocytes. The identification of transcriptomic profiles unique to or shared by PIEZO1 and TRPV4 (distinct from IL‐1‐induced inflammation) could inform future therapeutic designs targeting these channels for the management and treatment of osteoarthritis.

Abstract Memory, defined as an alteration in behavior towards a stimulus that follows as a consequence of experience, arises when a sensory stimulus is encountered at the same time that the animal experiences a negative or positive internal state. How this coincident detection of external and internal stimuli stably alters responses to the external stimulus is still not fully understood, especially in the context of an intact animal. One barrier to understanding how an intact biological circuit changes is knowing what molecular processes are required to establish and maintain the memory. The optically accessible and compact nervous system of C. elegans provides a unique opportunity to examine these processes. C. elegans can remember an odor such as butanone when it is paired with a single negative experience and the transient receptor potential (TRP) OSM-9/TRPV5/TRPV6 channel is known to be required for this memory. The multiple gating mechanisms of TRPV channels give them the potential to be the coincidence detectors required to integrate internal state and external stimuli. Here, we report that this TRPV channel is also required for acquisition and possibly consolidation of sleep-dependent, long-term memory of butanone. We find that in the anterior ganglion, endogenous GFP-tagged OSM-9 is expressed in the paired AWA olfactory neurons, the ASH nociceptive neuron pair, the mechanosensory OLQ tetrad, and the paired ADF and ADL sensory neurons. In these cells, OSM-9 protein is concentrated in the sensory endings, dendrites, and cell bodies, but excluded from the neurites in the nerve ring. In the tail, OSM-9 is expressed in the nociceptive phasmid neurons PHA and PHB, possibly PQR as well as PVP. In the midbody, it is possibly expressed in the mechanosensitive PVD neuron. It is notably absent from the AWC pair that are required for butanone attraction. Chronic loss of OSM-9 in a subset of ciliated neurons that do not include AWA interferes with consolidation but not learning. Because OSM-9 is expressed and required in sensory neurons that are not needed for butanone chemosensory behavior, two interpretations are possible. The first, is that OSM-9 loss leads to gain of function or neomorphic behavior of these cells that are extrinsic to the primary sensory circuit and their new activity interferes with acquisition and consolidation of memory. The second is that loss of OSM-9 leads to a loss of function phenotype in which the wild type function of these cells is diminished and this function is required for memory consolidation. Author summary How organisms learn from their environment and keep these memories for the long term ensures their survival. There is much known about the regions of the brain and the various proteins that are essential for memory, yet the exact molecular mechanisms and dynamics required are not known. We aimed to understand the genetics that underlie memory formation. We tested a gene that encodes a transient potential receptor channel vanilloid channel, which is similar to the channels we have that sense spicy foods and other harmful cues. Our studies have shown that this gene is required for the animal to be able to acquire and perhaps consolidate olfactory memory. This protein is not expressed in the sensory neurons that respond to the odor that is memorized or in other downstream interneurons in the odor-sensation circuit, but it is expressed in a distinct set of sensory neurons. This indicates that long-term memory involves wild type behavior of a wider array of sensory neurons than is required for the primary sensation. These channels are also implicated in neurological disorders where memory is affected, including Alzheimer’s disease. Understanding how memory formation is affected by cells outside the memory circuit might provide testable hypothesis about what goes awry in Alzheimer’s disease.

Recent advent of 3C-based technologies such as Hi-C and ChIA-PET provides us an opportunity to explore chromatin interactions and 3D genome organization in an unprecedented scale and resolution. However, it remains a challenge to visualize chromatin interaction data due to its size and complexity. Here, we introduce the 3D Genome Browser (http://3dgenome.org), which allows users to conveniently explore both publicly available and their own chromatin interaction data. Users can also seamlessly integrate other “omics” data sets, such as ChIP-Seq and RNA-Seq for the same genomic region, to gain a complete view of both regulatory landscape and 3D genome structure for any given gene. Finally, our browser provides multiple methods to link distal cis-regulatory elements with their potential target genes, including virtual 4C, ChIA-PET, Capture Hi-C and cross-cell-type correlation of proximal and distal DNA hypersensitive sites, and therefore represents a valuable resource for the study of gene regulation in mammalian genomes.

Long non-coding RNAs (lncRNAs) play critical roles in regulating gene expression and cellular processes; however, their roles in musculoskeletal development, disease, and regeneration remain poorly understood. Here, we identified a novel lncRNA, Glycosaminoglycan Regulatory ASsociated Long Non-coDing RNA (GRASLND) as a regulator of mesenchymal stem cell (MSC) chondrogenesis, and we investigated its basic molecular mechanism and its potential application towards regenerative medicine. GRASLND, a primate-specific lncRNA, is upregulated during MSC chondrogenesis and appears to act directly downstream of SRY-Box 9 (SOX9), but not Transforming Growth Factor Beta 3 (TGF-β3). Utilizing the established model of pellet formation for MSC chondrogenesis, we showed that the silencing of GRASLND resulted in lower accumulation of cartilage-like extracellular matrix, while GRASLND overexpression, either via transgene ectopic expression or by endogenous activation via CRISPR, significantly enhanced cartilage matrix production. GRASLND acts to inhibit interferon gamma (IFN-γ) by binding to Eukaryotic Initiation Factor-2 Kinase EIF2AK2. We further demonstrated that GRASLND exhibits a protective effect in engineered cartilage against interferon type II across different sources of chondroprogenitor cells. Our results indicate an important role of GRASLND in regulating stem cell chondrogenesis, as well as its therapeutic potential in the treatment of cartilage-related diseases, such as osteoarthritis.

There is a need to define regions of gene activation or repression that control human kidney cells in states of health, injury, and repair to understand the molecular pathogenesis of kidney disease and design therapeutic strategies. However, comprehensive integration of gene expression with epigenetic features that define regulatory elements remains a significant challenge. We measured dual single nucleus RNA expression and chromatin accessibility, DNA methylation, and H3K27ac, H3K4me1, H3K4me3, and H3K27me3 histone modifications to decipher the chromatin landscape and gene regulation of the kidney in reference and adaptive injury states. We established a comprehensive and spatially-anchored epigenomic atlas to define the kidney's active, silent, and regulatory accessible chromatin regions across the genome. Using this atlas, we noted distinct control of adaptive injury in different epithelial cell types. A proximal tubule cell transcription factor network of ELF3 , KLF6 , and KLF10 regulated the transition between health and injury, while in thick ascending limb cells this transition was regulated by NR2F1 . Further, combined perturbation of ELF3 , KLF6 , and KLF10 distinguished two adaptive proximal tubular cell subtypes, one of which manifested a repair trajectory after knockout. This atlas will serve as a foundation to facilitate targeted cell-specific therapeutics by reprogramming gene regulatory networks.