Abstract The DNA damage response is essential to safeguard genome integrity. Although the contribution of chromatin in DNA repair has been investigated 1,2 , the contribution of chromosome folding to these processes remains unclear 3 . Here we report that, after the production of double-stranded breaks (DSBs) in mammalian cells, ATM drives the formation of a new chromatin compartment (D compartment) through the clustering of damaged topologically associating domains, decorated with γH2AX and 53BP1. This compartment forms by a mechanism that is consistent with polymer–polymer phase separation rather than liquid–liquid phase separation. The D compartment arises mostly in G1 phase, is independent of cohesin and is enhanced after pharmacological inhibition of DNA-dependent protein kinase (DNA-PK) or R-loop accumulation. Importantly, R-loop-enriched DNA-damage-responsive genes physically localize to the D compartment, and this contributes to their optimal activation, providing a function for DSB clustering in the DNA damage response. However, DSB-induced chromosome reorganization comes at the expense of an increased rate of translocations, also observed in cancer genomes. Overall, we characterize how DSB-induced compartmentalization orchestrates the DNA damage response and highlight the critical impact of chromosome architecture in genomic instability.

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.

ABSTRACT Topological associating domains (TADs) are self-interacting genomic units crucial for shaping gene regulation patterns. Despite their importance, the extent of their evolutionary conservation and its functional implications remain largely unknown. In this study, we generate Hi-C and ChIP-seq data and compare TAD organization across four primate and four rodent species, and characterize the genetic and epigenetic properties of TAD boundaries in correspondence to their evolutionary conservation. We find that only 14% of all human TAD boundaries are shared among all eight species (ultraconserved), while 15% are human-specific. Ultraconserved TAD boundaries have stronger insulation strength, CTCF binding, and enrichment of older retrotransposons, compared to species-specific boundaries. CRISPR-Cas9 knockouts of two ultraconserved boundaries in mouse models leads to tissue-specific gene expression changes and morphological phenotypes. Deletion of a human-specific boundary near the autism-related AUTS2 gene results in upregulation of this gene in neurons. Overall, our study provides pertinent TAD boundary evolutionary conservation annotations, and showcase the functional importance of TAD evolution.

Abstract The majority of common variants associated with common diseases, as well as an unknown proportion of causal mutations for rare diseases, fall in noncoding regions of the genome. Although catalogs of noncoding regulatory elements are steadily improving, we have a limited understanding of the functional effects of mutations within them. Here, we performed saturation mutagenesis in conjunction with massively parallel reporter assays on 20 disease-associated gene promoters and enhancers, generating functional measurements for over 30,000 single nucleotide substitution and deletion mutations. We find that the density of putative transcription factor binding sites varies widely between regulatory elements, as does the extent to which evolutionary conservation or various integrative scores predict functional effects. These data provide a powerful resource for interpreting the pathogenicity of clinically observed mutations in these disease-associated regulatory elements, and also comprise a gold-standard dataset for the further development of algorithms that aim to predict the regulatory effects of noncoding mutations.

ABSTRACT Human breast milk is a dynamic fluid that contains millions of cells, but their identities and phenotypic properties are poorly understood. We used single-cell RNA-seq (scRNA-seq) to characterize the transcriptomes of cells from human breast milk (hBM) across lactational time from 3 to 632 days postpartum in 15 donors. We find that the majority of cells in human breast milk are lactocytes, a specialized epithelial subset, and cell type frequencies shift over the course of lactation yielding greater epithelial diversity at later points. Analysis of lactocytes reveals a continuum of cell states characterized by transcriptional changes in hormone, growth factor, and milk production related pathways. Generalized additive models suggest that one sub-cluster, LALBA low epithelial cells, increase as a function of time postpartum, daycare attendance, and the use of hormonal birth control. We identify several sub-clusters of macrophages in hBM that are enriched for tolerogenic functions, possibly playing a role in protecting the mammary gland during lactation. Our description of the cellular components of breast milk, their association with maternal-infant dyad metadata and quantification of alterations at the gene and pathways levels provides the first detailed longitudinal picture of human breast milk cells across lactational time. This work paves the way for future investigations of how a potential division of cellular labor and differential hormone regulation might be leveraged therapeutically to support healthy lactation and potentially aid in milk production.

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.

Nucleotide variants in cell type-specific gene regulatory elements in the human brain are major risk factors of human disease. We measured chromatin accessibility in sorted neurons and glia from 1,932 samples of human postmortem brain and identified 34,539 open chromatin regions with chromatin accessibility quantitative trait loci (caQTL). Only 10.4% of caQTL are shared between neurons and glia, supporting the cell type specificity of genetic regulation of the brain regulome. Incorporating allele specific chromatin accessibility improves statistical fine-mapping and refines molecular mechanisms underlying disease risk. Using massively parallel reporter assays in induced excitatory neurons, we screened 19,893 brain QTLs, identifying the functional impact of 476 regulatory variants. Combined, this comprehensive resource captures variation in the human brain regulome and provides novel insights into brain disease etiology.

Abstract Co-option of transposable elements (TEs) to become part of existing or new enhancers is an important mechanism for evolution of gene regulation. However, contributions of lineage-specific TE insertions to recent regulatory adaptations remain poorly understood. Gibbons present a suitable model to study these contributions as they have evolved a lineage-specific TE called LAVA, which is still active in the gibbon genome. The LAVA retrotransposon is thought to have played a role in the emergence of the unusually rearranged structure of the gibbon genome by disrupting transcription of cell cycle genes. In this study, we investigated whether LAVA may have also contributed to the evolution of gene regulation by adopting enhancer function. We characterized fixed and polymorphic LAVA insertions across multiple gibbons and found 96 LAVA elements overlapping enhancer chromatin states. Moreover, LAVA was enriched in multiple transcription factor binding motifs, was bound by an important transcription factor (PU.1), and was associated with higher levels of gene expression in cis . We found gibbon-specific signatures of purifying/positive selection at 27 LAVA insertions. Two of these insertions were fixed in the gibbon lineage and overlapped with enhancer chromatin states, representing putative co-opted LAVA enhancers. These putative enhancers were located within genes encoding SETD2 and RAD9A, two proteins that facilitate accurate repair of DNA double-strand breaks and prevent chromosomal rearrangement mutations. Thus, LAVA’s co-option in these genes may have influenced regulation of processes that preserve genome integrity. Our findings highlight the importance of considering lineage-specific TEs in studying evolution of novel gene regulatory elements.

Genetic studies find hundreds of thousands of noncoding variants associated with psychiatric disorders. Massively parallel reporter assays (MPRAs) and in vivo transgenic mouse assays can be used to assay the impact of these variants. However, the relevance of MPRAs to in vivo function is unknown and transgenic assays suffer from low throughput. Here, we studied the utility of combining the two assays to study the impact of non-coding variants. We carried out an MPRA on over 50,000 sequences derived from enhancers validated in transgenic mouse assays and from multiple fetal neuronal ATAC-seq datasets. We also tested over 20,000 variants, including synthetic mutations in highly active neuronal enhancers and 177 common variants associated with psychiatric disorders. Variants with a high impact on MPRA activity were further tested in mice. We found a strong and specific correlation between MPRA and mouse neuronal enhancer activity including changes in neuronal enhancer activity in mouse embryos for variants with strong MPRA effects. Mouse assays also revealed pleiotropic variant effects that could not be observed in MPRA. Our work provides a large catalog of functional neuronal enhancers and variant effects and highlights the effectiveness of combining MPRAs and mouse transgenic assays.

Massively parallel reporter assays (MPRAs) functionally screen thousands of sequences for regulatory activity in parallel. Although MPRAs have been applied to address diverse questions in gene regulation, there has been no systematic comparison of how differences in experimental design influence findings. Here, we screen a library of 2,440 sequences, representing candidate liver enhancers and controls, in HepG2 cells for regulatory activity using nine different approaches (including conventional episomal, STARR-seq, and lentiviral MPRA designs). We identify subtle but significant differences in the resulting measurements that correlate with epigenetic and sequence-level features. We also test this library in both orientations with respect to the promoter, validating en masse that enhancer activity is robustly independent of orientation. Finally, we develop and apply a novel method to assemble and functionally test libraries of the same putative enhancers as 192-mers, 354-mers, and 678-mers, and observe surprisingly large differences in functional activity. This work provides a framework for the experimental design of high-throughput reporter assays, suggesting that the extended sequence context of tested elements, and to a lesser degree the precise assay, influence MPRA results.