A BLUEPRINT of immune cell development To determine the epigenetic mechanisms that direct blood cells to develop into the many components of our immune system, the BLUEPRINT consortium examined the regulation of DNA and RNA transcription to dissect the molecular traits that govern blood cell differentiation. By inducing immune responses, Saeed et al. document the epigenetic changes in the genome that underlie immune cell differentiation. Cheng et al. demonstrate that trained monocytes are highly dependent on the breakdown of sugars in the presence of oxygen, which allows cells to produce the energy needed to mount an immune response. Chen et al. examine RNA transcripts and find that specific cell lineages use RNA transcripts of different length and composition (isoforms) to form proteins. Together, the studies reveal how epigenetic effects can drive the development of blood cells involved in the immune system. Science , this issue 10.1126/science.1251086 , 10.1126/science.1250684 , 10.1126/science.1251033

Long-range interactions between regulatory elements and gene promoters play key roles in transcriptional regulation. The vast majority of interactions are uncharted, constituting a major missing link in understanding genome control. Here, we use promoter capture Hi-C to identify interacting regions of 31,253 promoters in 17 human primary hematopoietic cell types. We show that promoter interactions are highly cell type specific and enriched for links between active promoters and epigenetically marked enhancers. Promoter interactomes reflect lineage relationships of the hematopoietic tree, consistent with dynamic remodeling of nuclear architecture during differentiation. Interacting regions are enriched in genetic variants linked with altered expression of genes they contact, highlighting their functional role. We exploit this rich resource to connect non-coding disease variants to putative target promoters, prioritizing thousands of disease-candidate genes and implicating disease pathways. Our results demonstrate the power of primary cell promoter interactomes to reveal insights into genomic regulatory mechanisms underlying common diseases.

Characterizing the multifaceted contribution of genetic and epigenetic factors to disease phenotypes is a major challenge in human genetics and medicine. We carried out high-resolution genetic, epigenetic, and transcriptomic profiling in three major human immune cell types (CD14+ monocytes, CD16+ neutrophils, and naive CD4+ T cells) from up to 197 individuals. We assess, quantitatively, the relative contribution of cis-genetic and epigenetic factors to transcription and evaluate their impact as potential sources of confounding in epigenome-wide association studies. Further, we characterize highly coordinated genetic effects on gene expression, methylation, and histone variation through quantitative trait locus (QTL) mapping and allele-specific (AS) analyses. Finally, we demonstrate colocalization of molecular trait QTLs at 345 unique immune disease loci. This expansive, high-resolution atlas of multi-omics changes yields insights into cell-type-specific correlation between diverse genomic inputs, more generalizable correlations between these inputs, and defines molecular events that may underpin complex disease risk.

Blood cells derive from hematopoietic stem cells through stepwise fating events. To characterize gene expression programs driving lineage choice, we sequenced RNA from eight primary human hematopoietic progenitor populations representing the major myeloid commitment stages and the main lymphoid stage. We identified extensive cell type-specific expression changes: 6711 genes and 10,724 transcripts, enriched in non-protein-coding elements at early stages of differentiation. In addition, we found 7881 novel splice junctions and 2301 differentially used alternative splicing events, enriched in genes involved in regulatory processes. We demonstrated experimentally cell-specific isoform usage, identifying nuclear factor I/B (NFIB) as a regulator of megakaryocyte maturation-the platelet precursor. Our data highlight the complexity of fating events in closely related progenitor populations, the understanding of which is essential for the advancement of transplantation and regenerative medicine.

Abstract Transcriptional enhancers regulate gene expression in time and space, commonly engaging in long-range chromosomal contacts with gene promoters. However, the relationship between enhancer activity, enhancer-promoter contacts and gene expression is not fully understood. Here, we leveraged human genetic variation as a “natural perturbation” to dissect this relationship, focusing on distal enhancers containing expression quantitative trait loci (eQTLs) – genetic variants linked to specific gene expression levels. We devised eQTL-Capture Hi-C to profile the chromosomal contacts of these loci globally and at high resolution in primary monocytes isolated from 34 donors, and generated chromatin accessibility and gene expression profiles from the same samples. Extending a Bayesian approach that considers both intra- and inter-individual variation, we detected 19 eQTLs linked to distinct promoter contacts, most of which also associated with enhancer accessibility and activity. Capitalising on these shared effects, we next employed a multi-modality Bayesian strategy, identifying hundreds of variants jointly associated with enhancer activity, connectivity, and gene expression. Many of these variants influenced the predicted binding of the architectural protein CTCF and the core myeloid transcription factors GABPA and SPI1; however, they typically did not perturb the canonical binding motifs of these factors. In contrast, one variant associated with PCK2 promoter contact directly disrupted a CTCF binding motif and impacted the insulation of this promoter from downstream enhancers. Finally, many identified QTLs overlapped with disease susceptibility loci, underscoring the potential role of enhancer-promoter communication in mediating the pathological effects of non-coding genetic variation. Jointly, our findings suggest an inherent functional link between the activity and connectivity of enhancers with relevance for human disease, and highlight the role of genetically-determined chromatin boundaries in gene control.

Transcriptional profiling of hematopoietic cell subpopulations has helped characterize the developmental stages of the hematopoietic system and the molecular basis of malignant and non-malignant blood diseases for the past three decades. The introduction of high-throughput RNA sequencing has increased knowledge of the full repertoire of RNA molecules in hematopoietic cells of different types, without relying on prior gene annotation. Here, we introduce the analysis of the BLUEPRINT consortium gene expression data for mature hematopoietic cells, comprising 90 total RNA and 32 small RNA sequencing experiments, from 27 different cell types. We used these data to describe the transcriptional profile of each cell type at the gene and isoform level using existing gene annotations. Moreover, we used guided transcriptome assembly to extend the annotation of the transcribed genome, which led to the identification of hundreds of novel non-coding RNA genes, which display a high degree of cell type specificity. We also characterized the expression of circular RNAs and found that these are also highly cell type specific. This resource refines the active transcriptional landscape of mature hematopoietic cells, highlights abundant genes and transcriptional isoforms for each cell type, and provides valuable data and visualisation tools for the scientific community working on hematological development and diseases.

Abstract The relative contributions of acute and chronic inflammatory mechanisms in diseases characterised by persistent bacterial infection are unclear, despite important consequences for the development of novel anti-inflammatory therapies. Here, we examined longitudinal transcriptional and epigenetic changes in patients with Cystic Fibrosis (CF), a genetic condition characterised by persistent bacterial lung infections that drive progressive inflammatory lung damage. We find that sudden clinical deteriorations in lung health, termed Acute Pulmonary Exacerbations (APEs), are linked to innate immune signalling driven by bacterial components, and accompanied by changes in macrophage function. Treatment of patients with intravenous antibiotics results in rapid modification of myeloid cell gene expression and epigenetic state, towards that of healthy volunteers, suggesting that repeated acute inflammatory episodes play an important role in CF inflammatory lung damage.

Neutrophils and monocytes provide a first line of defense against infections as part of the innate immune system. Here we report the integrated analysis of transcriptomic and epigenetic landscapes for circulating monocytes and neutrophils with the aim to enable downstream interpretation and functional validation of key regulatory elements in health and disease. We collected RNA-seq data, ChIP-seq of six histone modifications and of DNA methylation by bisulfite sequencing at base pair resolution from up to 6 individuals per cell type. Chromatin segmentation analyses suggested that monocytes have a higher number of cell-specific enhancer regions (4-fold) compared to neutrophils. This highly plastic epigenome is likely indicative of the greater differentiation potential of monocytes into macrophages, dendritic cells and osteoclasts. In contrast, most of the neutrophil-specific features tend to be characterized by repressed chromatin, reflective of their status as terminally differentiated cells. Enhancers were the regions where most of differences in DNA methylation between cells were observed, with monocyte-specific enhancers being generally hypomethylated. Monocytes show a substantially higher gene expression levels than neutrophils, in line with epigenomic analysis revealing that gene more active elements in monocytes. Our analyses suggest that the overexpression of c-Myc in monocytes and its binding to monocyte-specific enhancers could be an important contributor to these differences. Altogether, our study provides a comprehensive epigenetic chart of chromatin states in primary human neutrophils and monocytes, thus providing a valuable resource for studying the regulation of the human innate immune system.

In the current understanding of adult bone marrow hematopoiesis, megakaryocytes (MKs) originate from cells immuno-phenotypically indistinguishable from hematopoietic stem cells (HSCs), bypassing intermediate progenitors. Here, we use single cell RNA sequencing to characterize HSCs and MKs from human bone marrow, to investigate MK lineage commitment and maturation. We identify two MK primed HSC clusters exhibiting unique differentiation kinetics, at least one of which is used in steady state and stress thrombopoiesis. By analyzing transcriptional signatures we show that human bone marrow MKs originate from MK primed HSC subpopulations, supporting the notion that these display exclusive priming for MK differentiation. We show that transcriptional programs change with increasing MK ploidy, where genes upregulated in high ploidy states may have functional relevance in platelet production. Finally, we highlight the presence of a specific transcriptional signature in MKs from individuals with myocardial infarction, supporting the aberration of MK differentiation in this thrombotic state.

Providing a molecular characterisation of cardiometabolic syndrome (CMS) could improve our understanding of its pathogenesis and pathophysiology, and provide a step toward the development of better treatments. To this end, we performed a deep phenotyping analysis of 185 blood donors, 10 obese, and 10 lipodystrophy patients. We analysed transcriptomes and epigenomes of monocytes, neutrophils, macrophages and platelets. Additionally, plasma metabolites including lipids and biochemistry measurements were quantified. Multi-omics integration of this data allowed us to identify combinations of features related to patient status and to order the donor population according to their molecular similarity to patients. We also performed differential analyses on epigenomic, transcriptomic and plasma proteomic data collected from obese individuals before and six months after bariatric surgery. These analyses revealed a pattern of abnormal activation of immune cells in obese individuals and lipodystrophy patients, which was partially reverted six months after bariatric surgery.