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.

The pregnane X receptor (PXR) is the molecular target for catatoxic steroids such as pregnenolone 16α-carbonitrile (PCN), which induce cytochrome P450 3A ( CYP3A ) expression and protect the body from harmful chemicals. In this study, we demonstrate that PXR is activated by the toxic bile acid lithocholic acid (LCA) and its 3-keto metabolite. Furthermore, we show that PXR regulates the expression of genes involved in the biosynthesis, transport, and metabolism of bile acids including cholesterol 7α-hydroxylase ( Cyp7a1 ) and the Na + -independent organic anion transporter 2 ( Oatp2 ). Finally, we demonstrate that activation of PXR protects against severe liver damage induced by LCA. Based on these data, we propose that PXR serves as a physiological sensor of LCA, and coordinately regulates gene expression to reduce the concentrations of this toxic bile acid. These findings suggest that PXR agonists may prove useful in the treatment of human cholestatic liver disease.

Peter Laird and colleagues performed whole-genome bisulfite sequencing in a human colorectal tumor and a matched normal sample. They find regions of methylation variation that coincide with domains associated with the nuclear lamina. Extensive changes in DNA methylation are common in cancer and may contribute to oncogenesis through transcriptional silencing of tumor-suppressor genes1. Genome-scale studies have yielded important insights into these changes2,3,4,5 but have focused on CpG islands or gene promoters. We used whole-genome bisulfite sequencing (bisulfite-seq) to comprehensively profile a primary human colorectal tumor and adjacent normal colon tissue at single-basepair resolution. Regions of focal hypermethylation in the tumor were located primarily at CpG islands and were concentrated within regions of long-range (>100 kb) hypomethylation. These hypomethylated domains covered nearly half of the genome and coincided with late replication and attachment to the nuclear lamina in human cell lines. We confirmed the confluence of hypermethylation and hypomethylation within these domains in 25 diverse colorectal tumors and matched adjacent tissue. We propose that widespread DNA methylation changes in cancer are linked to silencing programs orchestrated by the three-dimensional organization of chromatin within the nucleus.

ABSTRACT Stem cells are vital for the homeostasis of self-renewing tissues such as the hair follicle. Epithelial stem cells have been implicated in tumorigenesis and wound healing, and their manipulation may have wide ranging applications including gene therapy and tissue transplantation. Rodent hair follicle stem cells have been localized to an area of the follicle called the bulge, however, the identification and characterization of human hair follicle stem cells has been hampered by a lack of cellular markers for this area. We have determined that the C8/144B monoclonal antibody, originally generated against a short intracytoplasmic peptide of CD8, preferentially immunostains hair follicle bulge keratinocytes without staining the remaining hair follicle. Using expression cloning, we identified cytokeratin 15 as the keratinocyte protein recognized by the C8/144B monoclonal antibody. By delineating the bulge using this antibody, we demonstrated that bulge cells possess a stem cell phenotype characterized by their slowly-cycling nature, preferential proliferation at the onset of new hair follicle growth, high level of β1 integrin expression, and expression of cytokeratin 19.

Using the GTEx data and others, a comprehensive analysis of adenosine-to-inosine RNA editing in mammals is presented; targets of the various ADAR enzymes are identified, as are several potential regulators of editing, such as AIMP2. The GTEx (Genotype-Tissue Expression) Consortium has established a reference catalogue and associated tissue biobank for gene-expression levels across individuals for diverse tissues of the human body, with a broad sampling of normal, non-diseased human tissues from postmortem donors. The consortium now presents the deepest survey of gene expression across multiple tissues and individuals to date, encompassing 7,051 samples from 449 donors across 44 human tissues. Barbara Engelhardt and colleagues characterize the relationship between genetic variation and gene expression, and find that most genes are regulated by genetic variation near to the affected gene. In accompanying GTEx studies, Alexis Battle, Stephen Montgomery and colleagues examine the effect of rare genetic variation on gene expression across human tissues, Daniel MacArthur and colleagues systematically survey the landscape of X chromosome inactivation in human tissues, and Jin Billy Li and colleagues provide a comprehensive cross-species analysis of adenosine-to-inosine RNA editing in mammals. In an accompanying News & Views, Michelle Ward and Yoav Gilad put the latest results in context and discuss how these findings are helping to crack the regulatory code of the human genome. Adenosine-to-inosine (A-to-I) RNA editing is a conserved post-transcriptional mechanism mediated by ADAR enzymes that diversifies the transcriptome by altering selected nucleotides in RNA molecules1. Although many editing sites have recently been discovered2,3,4,5,6,7, the extent to which most sites are edited and how the editing is regulated in different biological contexts are not fully understood8,9,10. Here we report dynamic spatiotemporal patterns and new regulators of RNA editing, discovered through an extensive profiling of A-to-I RNA editing in 8,551 human samples (representing 53 body sites from 552 individuals) from the Genotype-Tissue Expression (GTEx) project and in hundreds of other primate and mouse samples. We show that editing levels in non-repetitive coding regions vary more between tissues than editing levels in repetitive regions. Globally, ADAR1 is the primary editor of repetitive sites and ADAR2 is the primary editor of non-repetitive coding sites, whereas the catalytically inactive ADAR3 predominantly acts as an inhibitor of editing. Cross-species analysis of RNA editing in several tissues revealed that species, rather than tissue type, is the primary determinant of editing levels, suggesting stronger cis-directed regulation of RNA editing for most sites, although the small set of conserved coding sites is under stronger trans-regulation. In addition, we curated an extensive set of ADAR1 and ADAR2 targets and showed that many editing sites display distinct tissue-specific regulation by the ADAR enzymes in vivo. Further analysis of the GTEx data revealed several potential regulators of editing, such as AIMP2, which reduces editing in muscles by enhancing the degradation of the ADAR proteins. Collectively, our work provides insights into the complex cis- and trans-regulation of A-to-I editing.

Solute segregation at grain boundaries has been correlated with grain‐boundary conductivity in high‐purity 15‐mol%‐CaO‐stabilized ZrO 2 . STEM measurements of solute coverage show that the segregation of impurity silicon (present at bulk levels <80 ppm) is grain‐size dependent. The boundary coverage of silicon can be systematically varied by varying grain size at concentrations low enough that a discrete siliceous film does not form. The cosegregation of calcium and silicon is observed. The grain‐boundary solute coverage (T si+Ca ) has been correlated with the specific grain‐boundary conductivity (σ sp gb ) determined using impedance spectroscopy. At monolayer segregation levels, the specific boundary conductivity is less than the bulk conductivity by a factor >10 3 at 500°C. At the lowest levels of segregation achieved, <0.1 monolayer, σ sp gb remains ∼10 2 less, and possibly represents an “intrinsic” limiting value for the grain boundary. Comparison with Y 2 O 3 ‐doped ZrO 2 suggests similar behavior in this system. The control of grain‐boundary segregation through purity, microstructure, and thermal history is discussed from the objective of engineering the grain‐boundary impedance of polycrystalline ionic conductors.

DNA methylation and nucleosome positioning work together to generate chromatin structures that regulate gene expression. Nucleosomes are typically mapped using nuclease digestion requiring significant amounts of material and varying enzyme concentrations. We have developed a method (NOMe-seq) that uses a GpC methyltransferase (M.CviPI) and next generation sequencing to generate a high resolution footprint of nucleosome positioning genome-wide using less than 1 million cells while retaining endogenous DNA methylation information from the same DNA strand. Using a novel bioinformatics pipeline, we show a striking anti-correlation between nucleosome occupancy and DNA methylation at CTCF regions that is not present at promoters. We further show that the extent of nucleosome depletion at promoters is directly correlated to expression level and can accommodate multiple nucleosomes and provide genome-wide evidence that expressed non-CpG island promoters are nucleosome-depleted. Importantly, NOMe-seq obtains DNA methylation and nucleosome positioning information from the same DNA molecule, giving the first genome-wide DNA methylation and nucleosome positioning correlation at the single molecule, and thus, single cell level, that can be used to monitor disease progression and response to therapy.

Farnesoid X receptor (FXR) is a bile acid-activated transcription factor that is a member of the nuclear hormone receptor superfamily. Fxr-null mice exhibit a phenotype similar to Byler disease, an inherited cholestatic liver disorder. In the liver, activation of FXR induces transcription of transporter genes involved in promoting bile acid clearance and represses genes involved in bile acid biosynthesis. We investigated whether the synthetic FXR agonist GW4064 could protect against cholestatic liver damage in rat models of extrahepatic and intrahepatic cholestasis. In the bile duct-ligation and alpha-naphthylisothiocyanate models of cholestasis, GW4064 treatment resulted in significant reductions in serum alanine aminotransferase, aspartate aminotransferase, and lactate dehydrogenase, as well as other markers of liver damage. Rats that received GW4064 treatment also had decreased incidence and extent of necrosis, decreased inflammatory cell infiltration, and decreased bile duct proliferation. Analysis of gene expression in livers from GW4064-treated cholestatic rats revealed decreased expression of bile acid biosynthetic genes and increased expression of genes involved in bile acid transport, including the phospholipid flippase MDR2. The hepatoprotection seen in these animal models by the synthetic FXR agonist suggests FXR agonists may be useful in the treatment of cholestatic liver disease.