We describe Hi-C, a method that probes the three-dimensional architecture of whole genomes by coupling proximity-based ligation with massively parallel sequencing. We constructed spatial proximity maps of the human genome with Hi-C at a resolution of 1 megabase. These maps confirm the presence of chromosome territories and the spatial proximity of small, gene-rich chromosomes. We identified an additional level of genome organization that is characterized by the spatial segregation of open and closed chromatin to form two genome-wide compartments. At the megabase scale, the chromatin conformation is consistent with a fractal globule, a knot-free, polymer conformation that enables maximally dense packing while preserving the ability to easily fold and unfold any genomic locus. The fractal globule is distinct from the more commonly used globular equilibrium model. Our results demonstrate the power of Hi-C to map the dynamic conformations of whole genomes.

Increasing the activity of defective cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) protein is a potential treatment for cystic fibrosis.

Cystic fibrosis is a life-limiting disease that is caused by defective or deficient cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) protein activity. Phe508del is the most common CFTR mutation.

Genetic variation among individual humans occurs on many different scales, ranging from gross alterations in the human karyotype to single nucleotide changes. Here we explore variation on an intermediate scale—particularly insertions, deletions and inversions affecting from a few thousand to a few million base pairs. We employed a clone-based method to interrogate this intermediate structural variation in eight individuals of diverse geographic ancestry. Our analysis provides a comprehensive overview of the normal pattern of structural variation present in these genomes, refining the location of 1,695 structural variants. We find that 50% were seen in more than one individual and that nearly half lay outside regions of the genome previously described as structurally variant. We discover 525 new insertion sequences that are not present in the human reference genome and show that many of these are variable in copy number between individuals. Complete sequencing of 261 structural variants reveals considerable locus complexity and provides insights into the different mutational processes that have shaped the human genome. These data provide the first high-resolution sequence map of human structural variation—a standard for genotyping platforms and a prelude to future individual genome sequencing projects. Clone-based sequencing of the genomes of eight unrelated individuals — four African and four non-African — has been used to build a picture of human genetic variation. The study concentrated on intermediate-scale variations a few thousand to a few million base pairs long. The results confirm the finding that African genomes are more diverse than other groups, and suggest that previous estimates of the incidence of 'copy-number variant' base pairs have been too high. The data suggest that, despite recent evidence to the contrary, non-allelic homologous recombination is the dominant process in promoting structural variation in the genome. Studies of this type provide benchmarks for the many genome sequences that will be generated by next-generation technologies. This paper examines eight individual genomes using a clone-based sequencing approach, for structural variants of 8,000 nucleotides or more. One of the first high-quality inversion maps for the human genome is generated, and it is demonstrated that previous estimates of variation of this sort have been too high.

A new approach in the treatment of cystic fibrosis involves improving the function of mutant cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR). VX-770, a CFTR potentiator, has been shown to increase the activity of wild-type and defective cell-surface CFTR in vitro.

Since the inflammatory response to chronic infection contributes to lung destruction in patients with cystic fibrosis, we hypothesized that antiinflammatory therapy might slow the progression of lung disease.

Chronic pulmonary infection with Pseudomonas aeruginosa continues to be the major cause of morbidity and mortality in cystic fibrosis (CF). Several characteristics of CF, including the excessive influx of neutrophils into the airways, cachexia, and hyperglobulinemia, could reflect the effects of cytokines, such as interleukin-1 (IL-1), IL-6, IL-8, and tumor necrosis factor (TNF-alpha). We hypothesized that these pro-inflammatory cytokines, produced by alveolar macrophages in response to pseudomonas and/or other microorganisms, promote the destructive inflammatory process in the lung. We evaluated bronchoalveolar lavage (BAL) fluid and BAL macrophages from 22 CF patients and 13 healthy control (HC) subjects, measuring soluble TNF-alpha, IL-1 beta, IL-6, and IL-8 and the regulatory molecules TNF soluble receptor (TNF-sR), IL-1 receptor antagonist (IL-1Ra), and IL-10 (cytokine synthesis inhibitory factor). Levels of the proinflammatory cytokines were higher in CF versus HC BAL (p < or = 0.05 for IL-1, TNF, and IL-8; p = 0.06 for IL-6). In contrast, HC BAL contained significantly more IL-10 than CF BAL (p < 0.05), but TNF-sR and IL-1Ra were similar. Immunocytochemistry demonstrated a higher percentage of CF than control BAL macrophages expressing intracellular cytokines (p < 0.05). Thus, enhanced macrophage production of proinflammatory cytokines and decreased production of the regulatory molecule IL-10 may have important roles in the pathogenesis of CF lung disease.

Heather Mefford, Ingrid Scheffer and colleagues report targeted resequencing of 47 genes in 500 individuals with epileptic encephalopathies. They identify pathogenic mutations in 11% of their cohort and show that de novo mutations in CHD2 and SYNGAP1 cause epileptic encephalopathy. Epileptic encephalopathies are a devastating group of epilepsies with poor prognosis, of which the majority are of unknown etiology. We perform targeted massively parallel resequencing of 19 known and 46 candidate genes for epileptic encephalopathy in 500 affected individuals (cases) to identify new genes involved and to investigate the phenotypic spectrum associated with mutations in known genes. Overall, we identified pathogenic mutations in 10% of our cohort. Six of the 46 candidate genes had 1 or more pathogenic variants, collectively accounting for 3% of our cohort. We show that de novo CHD2 and SYNGAP1 mutations are new causes of epileptic encephalopathies, accounting for 1.2% and 1% of cases, respectively. We also expand the phenotypic spectra explained by SCN1A, SCN2A and SCN8A mutations. To our knowledge, this is the largest cohort of cases with epileptic encephalopathies to undergo targeted resequencing. Implementation of this rapid and efficient method will change diagnosis and understanding of the molecular etiologies of these disorders.

Faithful transmission of genetic material to daughter cells involves a characteristic temporal order of DNA replication, which may play a significant role in the inheritance of epigenetic states. We developed a genome-scale approach—Repli Seq—to map temporally ordered replicating DNA using massively parallel sequencing and applied it to study regional variation in human DNA replication time across multiple human cell types. The method requires as few as 8,000 cytometry-fractionated cells for a single analysis, and provides high-resolution DNA replication patterns with respect to both cell-cycle time and genomic position. We find that different cell types exhibit characteristic replication signatures that reveal striking plasticity in regional replication time patterns covering at least 50% of the human genome. We also identified autosomal regions with marked biphasic replication timing that include known regions of monoallelic expression as well as many previously uncharacterized domains. Comparison with high-resolution genome-wide profiles of DNaseI sensitivity revealed that DNA replication typically initiates within foci of accessible chromatin comprising clustered DNaseI hypersensitive sites, and that replication time is better correlated with chromatin accessibility than with gene expression. The data collectively provide a unique, genome-wide picture of the epigenetic compartmentalization of the human genome and suggest that cell-lineage specification involves extensive reprogramming of replication timing patterns.