Enhancers are essential gene regulatory elements whose alteration can lead to morphological differences between species, developmental abnormalities, and human disease. Current strategies to identify enhancers focus primarily on noncoding sequences and tend to exclude protein coding sequences. Here, we analyzed 25 available ChIP-seq data sets that identify enhancers in an unbiased manner (H3K4me1, H3K27ac, and EP300) for peaks that overlap exons. We find that, on average, 7% of all ChIP-seq peaks overlap coding exons (after excluding for peaks that overlap with first exons). By using mouse and zebrafish enhancer assays, we demonstrate that several of these exonic enhancer (eExons) candidates can function as enhancers of their neighboring genes and that the exonic sequence is necessary for enhancer activity. Using ChIP, 3C, and DNA FISH, we further show that one of these exonic limb enhancers, Dync1i1 exon 15, has active enhancer marks and physically interacts with Dlx5/6 promoter regions 900 kb away. In addition, its removal by chromosomal abnormalities in humans could cause split hand and foot malformation 1 (SHFM1), a disorder associated with DLX5/6. These results demonstrate that DNA sequences can have a dual function, operating as coding exons in one tissue and enhancers of nearby gene(s) in another tissue, suggesting that phenotypes resulting from coding mutations could be caused not only by protein alteration but also by disrupting the regulation of another gene.

ABSTRACT The majority of autism spectrum disorder (ASD) risk genes are associated with ASD due to haploinsufficiency, where only one gene copy is functional. Here, using SCN2A haploinsufficiency, a major risk factor for ASD, we show that increasing the expression of the existing functional SCN2A allele with CRISPR activation (CRISPRa) can provide a viable therapeutic approach. We first demonstrate therapeutic potential by showing that restoring Scn2a expression in adolescent heterozygous Scn2a conditional knock-in mice rescues electrophysiological deficits associated with Scn2a haploinsufficiency. Next, using an rAAV-CRISPRa based treatment, we restore electrophysiological deficits in both Scn2a heterozygous mice and human stem-cell-derived neurons. Our results provide a novel therapeutic approach for numerous ASD-associated genes and demonstrate that rescue of Scn2a haploinsufficiency, even at adolescent stages, can ameliorate neurodevelopmental phenotypes.

Massively parallel reporter assays (MPRAs) represent a set of high-throughput technologies that measure the functional effects of thousands of sequences/variants on gene regulatory activity. There are several different variations of MPRA technology and they are used for numerous applications, including regulatory element discovery, variant effect measurement, saturation mutagenesis, synthetic regulatory element generation or characterization of evolutionary gene regulatory differences. Despite their many designs and uses, there is no comprehensive database that incorporates the results of these experiments. To address this, we developed MPRAbase, a manually curated database that currently harbors 129 experiments, encompassing 17,718,677 elements tested across 35 cell types and 4 organisms. The MPRAbase web interface (http://www.mprabase.com) serves as a centralized user-friendly repository to download existing MPRA data for independent analysis and is designed with the ability to allow researchers to share their published data for rapid dissemination to the community.

The molecular events leading to the development of the bat wing remain largely unknown, and are thought to be caused, in part, by changes in gene expression during limb development. These expression changes could be instigated by variations in gene regulatory enhancers. Here, we used a comparative genomics approach to identify regions that evolved rapidly in the bat ancestor but are highly conserved in other vertebrates. We discovered 166 bat accelerated regions (BARs) that overlap H3K27ac and p300 ChIP-seq peaks in developing mouse limbs. Using a mouse enhancer assay, we show that five Myotis lucifugus BARs drive gene expression in the developing mouse limb, with the majority showing differential enhancer activity compared to the mouse orthologous BAR sequences. These include BAR116, which is located telomeric to the HoxD cluster and had robust forelimb expression for the M. lucifugus sequence and no activity for the mouse sequence at embryonic day 12.5. Developing limb expression analysis of Hoxd10-Hoxd13 in Miniopterus natalensis bats showed a high-forelimb weak-hindlimb expression for Hoxd10-Hoxd11, similar to the expression trend observed for M. lucifugus BAR116 in mice, suggesting that it could be involved in the regulation of the bat HoxD complex. Combined, our results highlight novel regulatory regions that could be instrumental for the morphological differences leading to the development of the bat wing.

Adolescent idiopathic scoliosis (AIS), a sideways curvature of the spine, is sexually dimorphic, with increased incidence in females. A GWAS identified a female-specific AIS susceptibility locus near the PAX1 gene. Here, we used mouse enhancer assays, three mouse enhancer knockouts and subsequent phenotypic analyses to characterize this region. Using mouse enhancer assays, we characterized a sequence, PEC7, that overlaps the AIS-associated variant, and found it to be active in the tail tip and intervertebral disc. Removal of PEC7 or Xe1, a known sclerotome enhancer nearby, and deletion of both sequences led to a kinky phenotype only in the Xe1 and combined (Xe1+PEC7) knockouts, with only the latter showing a female sex dimorphic phenotype. Extensive phenotypic characterization of these mouse lines implicated several differentially expressed genes and estrogen signaling in the sex dimorphic bias. In summary, our work functionally characterizes an AIS-associated locus and dissects the mechanism for its sexual dimorphism.

The human genome contains millions of retrotransposons, several of which could become active due to somatic mutations having phenotypic consequences, including disease. However, it is not thoroughly understood how nucleotide changes in retrotransposons affect their jumping activity. Here, we developed a novel massively parallel jumping assay (MPJA) that can test the jumping potential of thousands of transposons

Degenerative changes of the intervertebral disc (IVD) are a leading cause of disability affecting humans worldwide. While this is primarily attributed to trauma and aging, genetic variation is associated with disc degeneration in humans. However, the precise mechanisms driving the initiation and progression of disease remain elusive due to a paucity of genetic animal models. Here, we discuss a novel genetic mouse model of endplate-oriented disc degeneration. We show that the adhesion G-protein coupled receptor G6 (ADGRG6) mediates several anabolic and catabolic factors, fibrotic collagen genes, pro-inflammatory pathways, and mechanical properties of the IVD, prior to the onset of overt histopathology of these tissues. Furthermore, we found increased IL-6/STAT3 activation in the IVD and demonstrate that treatment with a chemical inhibitor of STAT3 activation ameliorates disc degeneration in these mutant mice. These findings establish ADGRG6 as a critical regulator of homeostasis of adult disc homeostasis and implicate ADGRG6 and STAT3 as promising therapeutic targets for degenerative joint diseases.

Adolescent idiopathic scoliosis (AIS), a sideways curvature of the spine, is the most common pediatric musculoskeletal disorder, affecting ~3% of the population worldwide. However, its genetic bases and tissues of origin remain largely unknown. Several genome-wide association studies (GWAS) have implicated nucleotide variants in noncoding sequences that control genes with important roles in cartilage, muscle, bone, connective tissue and intervertebral discs (IVDs) as drivers of AIS susceptibility. Here, we set out to define the expression of AIS-associated genes and active regulatory elements by performing RNA-seq and ChIP-seq against H3K27ac in these tissues in mouse and human. Our study highlights genetic pathways involving AIS-associated loci that regulate chondrogenesis, IVD development and connective tissue maintenance and homeostasis. In addition, we identify thousands of putative AIS-associated regulatory elements which may orchestrate tissue-specific expression in musculoskeletal tissues of the spine. Quantification of enhancer activity of several candidate regulatory elements from our study identifies three functional enhancers carrying AIS-associated GWAS SNPs at the ADGRG6 and BNC2 loci. Our findings provide a novel genome-wide catalog of AIS-relevant genes and regulatory elements and aid in the identification of novel targets for AIS causality and treatment.