Hi-C experiments explore the 3D structure of the genome, generating terabases of data to create high-resolution contact maps. Here, we introduce Juicer, an open-source tool for analyzing terabase-scale Hi-C datasets. Juicer allows users without a computational background to transform raw sequence data into normalized contact maps with one click. Juicer produces a hic file containing compressed contact matrices at many resolutions, facilitating visualization and analysis at multiple scales. Structural features, such as loops and domains, are automatically annotated. Juicer is available as open source software at http://aidenlab.org/juicer/.

We present an end-to-end genome assembly of a female Aedes aegypti mosquito, which spreads viral diseases such as yellow fever, dengue, chikungunya, and Zika to humans. The assembly is based on an earlier genome published in 2007 and improved in 2013. The new assembly has a scaffold N50 of 419Mb, with 96.9% of the ungapped sequence anchored to chromosomes. We used the new assembly to examine the conservation of A. aegypti chromosomes. Our results suggest that synteny is strongly conserved between Ae. aegypti and An. gambiae. Comparison to D. melanogaster highlights the extent to which the identity of entire chromosome arms is preserved across dipterans.

Hi-C experiments study how genomes fold in 3D, generating contact maps containing features as small as 20 bp and as large as 200 Mb. Here we introduce Juicebox, a tool for exploring Hi-C and other contact map data. Juicebox allows users to zoom in and out of Hi-C maps interactively, just as a user of Google Earth might zoom in and out of a geographic map. Maps can be compared to one another, or to 1D tracks or 2D feature sets.

Cohesin extrusion is thought to play a central role in establishing the architecture of mammalian genomes. However, extrusion has not been visualized in vivo, and thus, its functional impact and energetics are unknown. Using ultra-deep Hi-C, we show that loop domains form by a process that requires cohesin ATPases. Once formed, however, loops and compartments are maintained for hours without energy input. Strikingly, without ATP, we observe the emergence of hundreds of CTCF-independent loops that link regulatory DNA. We also identify architectural "stripes," where a loop anchor interacts with entire domains at high frequency. Stripes often tether super-enhancers to cognate promoters, and in B cells, they facilitate Igh transcription and recombination. Stripe anchors represent major hotspots for topoisomerase-mediated lesions, which promote chromosomal translocations and cancer. In plasmacytomas, stripes can deregulate Igh-translocated oncogenes. We propose that higher organisms have coopted cohesin extrusion to enhance transcription and recombination, with implications for tumor development.

The three-dimensional arrangement of the human genome comprises a complex network of structural and regulatory chromatin loops important for coordinating changes in transcription during human development. To better understand the mechanisms underlying context-specific 3D chromatin structure and transcription during cellular differentiation, we generated comprehensive in situ Hi-C maps of DNA loops in human monocytes and differentiated macrophages. We demonstrate that dynamic looping events are regulatory rather than structural in nature and uncover widespread coordination of dynamic enhancer activity at preformed and acquired DNA loops. Enhancer-bound loop formation and enhancer activation of preformed loops together form multi-loop activation hubs at key macrophage genes. Activation hubs connect 3.4 enhancers per promoter and exhibit a strong enrichment for activator protein 1 (AP-1)-binding events, suggesting that multi-loop activation hubs involving cell-type-specific transcription factors represent an important class of regulatory chromatin structures for the spatiotemporal control of transcription.

During interphase, the inactive X chromosome (Xi) is largely transcriptionally silent and adopts an unusual 3D configuration known as the "Barr body." Despite the importance of X chromosome inactivation, little is known about this 3D conformation. We recently showed that in humans the Xi chromosome exhibits three structural features, two of which are not shared by other chromosomes. First, like the chromosomes of many species, Xi forms compartments. Second, Xi is partitioned into two huge intervals, called "superdomains," such that pairs of loci in the same superdomain tend to colocalize. The boundary between the superdomains lies near DXZ4, a macrosatellite repeat whose Xi allele extensively binds the protein CCCTC-binding factor. Third, Xi exhibits extremely large loops, up to 77 megabases long, called "superloops." DXZ4 lies at the anchor of several superloops. Here, we combine 3D mapping, microscopy, and genome editing to study the structure of Xi, focusing on the role of DXZ4 We show that superloops and superdomains are conserved across eutherian mammals. By analyzing ligation events involving three or more loci, we demonstrate that DXZ4 and other superloop anchors tend to colocate simultaneously. Finally, we show that deleting DXZ4 on Xi leads to the disappearance of superdomains and superloops, changes in compartmentalization patterns, and changes in the distribution of chromatin marks. Thus, DXZ4 is essential for proper Xi packaging.

Abstract Hi-Culfite, a protocol combining Hi-C and whole-genome bisulfite sequencing (WGBS), determines chromatin contacts and DNA methylation simultaneously. Hi-Culfite also reveals relationships that cannot be seen when the two assays are performed separately. For instance, we show that loci associated with open chromatin exhibit context-sensitive methylation: when their spatial neighbors lie in closed chromatin, they are much more likely to be methylated.

Analyses of ancient DNA typically involve sequencing the surviving short oligonucleotides and aligning to genome assemblies from related, modern species. Here, we report that skin from a female woolly mammoth (†Mammuthus primigenius) that died 52,000 years ago retained its ancient genome architecture. We use PaleoHi-C to map chromatin contacts and assemble its genome, yielding 28 chromosome-length scaffolds. Chromosome territories, compartments, loops, Barr bodies, and inactive X chromosome (Xi) superdomains persist. The active and inactive genome compartments in mammoth skin more closely resemble Asian elephant skin than other elephant tissues. Our analyses uncover new biology. Differences in compartmentalization reveal genes whose transcription was potentially altered in mammoths vs. elephants. Mammoth Xi has a tetradic architecture, not bipartite like human and mouse. We hypothesize that, shortly after this mammoth's death, the sample spontaneously freeze-dried in the Siberian cold, leading to a glass transition that preserved subfossils of ancient chromosomes at nanometer scale.

Abstract Ancient DNA (aDNA) sequencing analysis typically involves alignment to a modern reference genome assembly from a related species. Since aDNA molecules are fragmentary, these alignments yield information about small-scale differences, but provide no information about larger features such as the chromosome structure of ancient species. We report the genome assembly of a female Late Pleistocene woolly mammoth ( Mammuthus primigenius ) with twenty-eight chromosome-length scaffolds, generated using mammoth skin preserved in permafrost for roughly 52,000 years. We began by creating a modified Hi-C protocol, dubbed PaleoHi-C, optimized for ancient samples, and using it to map chromatin contacts in a woolly mammoth. Next, we developed “reference-assisted 3D genome assembly,” which begins with a reference genome assembly from a related species, and uses Hi-C and DNA-Seq data from a target species to split, order, orient, and correct sequences on the basis of their 3D proximity, yielding accurate chromosome-length scaffolds for the target species. By means of this reference-assisted 3D genome assembly, PaleoHi-C data reveals the 3D architecture of a woolly mammoth genome, including chromosome territories, compartments, domains, and loops. The active (A) and inactive (B) genome compartments in mammoth skin more closely resemble those observed in Asian elephant skin than the compartmentalization patterns seen in other Asian elephant tissues. Differences in compartmentalization between these skin samples reveal sequences whose transcription was potentially altered in mammoth. We observe a tetradic structure for the inactive X chromosome in mammoth, distinct from the bipartite architecture seen in human and mouse. Generating chromosome-length genome assemblies for two other elephantids (Asian and African elephant), we find that the overall karyotype, and this tetradic Xi structure, are conserved throughout the clade. These results illustrate that cell-type specific epigenetic information can be preserved in ancient samples, in the form of DNA geometry, and that it may be feasible to perform de novo genome assembly of some extinct species.

Abstract Over 90% of genetic variants associated with complex human traits map to non-coding regions, but little is understood about how they modulate gene regulation in health and disease. One possible mechanism is that genetic variants affect the activity of one or more cis-regulatory elements leading to gene expression variation in specific cell types. To identify such cases, we analyzed Assay for Transposase-Accessible Chromatin sequencing (ATAC-seq) and RNA-seq profiles from activated CD4+ T cells of up to 105 healthy donors. We found that regions of accessible chromatin (ATAC-peaks) are co-accessible at kilobase and megabase resolution, in patterns consistent with the 3D organization of chromosomes measured by in situ Hi-C in T cells. 15% of genetic variants located within ATAC-peaks affected the accessibility of the corresponding peak through disrupting binding sites for transcription factors important for T cell differentiation and activation. These ATAC quantitative trait nucleotides (ATAC-QTNs) have the largest effects on co-accessible peaks, are associated with gene expression from the same aliquot of cells, are rarely affecting core binding motifs, and are enriched for autoimmune disease variants. Our results provide insights into how natural genetic variants modulate cis-regulatory elements, in isolation or in concert, to influence gene expression in primary immune cells that play a key role in many human diseases.