Epigene1c landscapes and regulatory divergence of human - PowerPoint PPT Presentation

FaceBase2 ¡Spoke ¡ Epigene1c ¡landscapes ¡and ¡regulatory ¡ divergence ¡of ¡human ¡craniofacial ¡traits ¡ ¡ Joanna ¡Wysocka ¡& ¡Licia ¡Selleri ¡

Our ¡team ¡members: ¡ Tomek ¡Swigut ¡ Sara ¡Presco7 ¡ Licia ¡Selleri ¡ (Stanford) ¡ (Stanford, ¡ now ¡at ¡ (UCSF) ¡ Harvard ) ¡ Ian ¡Welsh ¡ Hannah ¡Long ¡ (UCSF) ¡ (Stanford) ¡

Our ¡aims: ¡ AIM1: ¡To ¡characterize ¡epigeneJc ¡landscapes ¡and ¡ transcriptomes ¡of ¡human ¡and ¡chimpanzee ¡ Cranial ¡Neural ¡Crest ¡Cells ¡(CNCCs) ¡and ¡to ¡idenJfy ¡ conserved ¡and ¡species-­‑specific ¡cis-­‑regulatory ¡ elements ¡ ¡ AIM2. ¡To ¡analyze ¡acJvity ¡of ¡candidate ¡human-­‑ specific ¡craniofacial ¡enhancers ¡ in ¡vivo. ¡ ¡

Challenge: ¡how ¡do ¡regulatory ¡ elements ¡encode ¡human ¡traits? ¡ development ¡ genotype ¡ phenotype ¡ enhancers ¡ target ¡gene ¡

Challenge: ¡how ¡do ¡regulatory ¡ elements ¡encode ¡human ¡traits? ¡ development ¡ genotype ¡ phenotype ¡ enhancers ¡ target ¡gene ¡ ability ¡to ¡systemaJcally ¡ ability ¡to ¡model ¡aspects ¡ craniofacial ¡ idenJfy ¡cell ¡type-­‑specific ¡ of ¡human ¡development ¡ development ¡ regulatory ¡elements ¡ ¡ in ¡the ¡dish ¡

Studying ¡evoluJon ¡of ¡closely ¡related ¡ species ¡is ¡a ¡powerful ¡tool ¡for ¡uncovering ¡ genotype-­‑phenotype ¡connecJons ¡ development ¡ genotype ¡ phenotype ¡ enhancers ¡ wing ¡pa6erning ¡in ¡Drosophila ¡ ¡ target ¡gene ¡ target ¡gene ¡ target ¡gene ¡ Sean ¡Carroll, ¡David ¡Kingsley, ¡Mike ¡Levine ¡& ¡others ¡ ¡ ¡

‘Cellular ¡anthropology’: ¡ Using ¡higher ¡primate ¡cellular ¡models ¡to ¡ study ¡enhancer ¡landscape ¡evoluJon ¡ development ¡ genotype ¡ phenotype ¡ enhancers ¡ ? ¡ target ¡gene ¡ target ¡gene ¡

Most ¡of ¡our ¡face ¡and ¡head ¡is ¡derived ¡ from ¡the ¡cranial ¡neural ¡crest ¡ • bone ¡ • carJlage ¡ • connecJve ¡Jssue ¡ • cranial ¡nerves ¡ • pigmentaJon ¡ Image: ¡P. ¡Trainor ¡lab, ¡Stowers ¡InsHtute ¡ ¡

Cranial ¡neural ¡crest ¡derived ¡structures ¡played ¡ a ¡key ¡role ¡in ¡human ¡evoluJon ¡

How ¡can ¡we ¡access ¡cranial ¡neural ¡crest ¡ cells ¡from ¡higher ¡primates? ¡ In ¡vivo ¡ In ¡vitro ¡ pluripotent ¡epiblast ¡ ectoderm ¡ inaccessible ¡ cranial ¡ neural ¡crest ¡ cells ¡(CNCC) ¡ neural ¡tube ¡

An ¡ in ¡vitro ¡ model ¡of ¡human ¡cranial ¡neural ¡ crest ¡cell ¡formaJon ¡ In ¡vivo ¡ In ¡vitro ¡ hESC ¡or ¡iPSC ¡ pluripotent ¡epiblast ¡ neuroepithelium ¡ ectoderm ¡ inducJon ¡& ¡emigraJon ¡ of ¡CNCC ¡ cranial ¡ maintenance ¡of ¡human ¡ neural ¡crest ¡ CNCC ¡ ¡ cells ¡(CNCC) ¡ neural ¡tube ¡ p75+, ¡TFAP2A+, ¡TWIST1+, ¡SOX9+, ¡SOX10+, ¡DLX1/2+, ¡HOX-­‑ ¡ ¡ Bajpai ¡et ¡al., ¡Nature ¡2010 ¡ Rada-­‑Iglesias, ¡Bajpai ¡et ¡al., ¡Cell ¡Stem ¡Cell, ¡2012 ¡ ¡

In ¡vitro ¡ derived ¡human ¡CNCC ¡exhibit ¡transcripJonal ¡ and ¡cellular ¡characterisJcs ¡of ¡the ¡NC ¡ in ¡vivo ¡ ¡ In ¡vivo ¡ In ¡vitro ¡ pluripotent ¡epiblast ¡ Engra`ment ¡and ¡ ectoderm ¡ migraJon ¡ in ¡ovo ¡ ¡ ¡ cranial ¡ TransplantaJon ¡ CNCC ¡ neural ¡crest ¡ into ¡chicken ¡ embryo ¡host ¡ cells ¡(CNCC) ¡ neural ¡tube ¡ human ¡CNCC ¡ Broad ¡differenJaJon ¡potenJal ¡ melanocytes ¡ melanocytes ¡ peripheral ¡ mesenchymal ¡ neurons ¡& ¡glia ¡ progenitors ¡ neurons ¡& ¡glia ¡of ¡ bones, ¡carJlage ¡& ¡ osteoblasts ¡ cranial ¡ganglia ¡ connecJve ¡Jssue ¡of ¡the ¡ chondrocytes ¡ Bajpai ¡et ¡al., ¡Nature ¡2010 ¡ ¡ head ¡and ¡face ¡ adipocytes ¡ Presco6 ¡et ¡al., ¡Cell, ¡2015 ¡ ¡

Establishment ¡of ¡the ¡chimpanzee ¡cranial ¡ neural ¡crest ¡model ¡ human ¡ chimp ¡ Sara ¡Presco6 ¡ BF ¡ P75/DAPI ¡ AP2a ¡ NR2F1 ¡ human ¡ CNCCs ¡ chimpanzee ¡ ¡ CNCCs ¡

Epigenomic ¡strategy ¡for ¡systemaJc ¡annotaJon ¡of ¡ primate ¡cranial ¡neural ¡crest ¡enhancers ¡ Human ¡and ¡Chimpanzee ¡ Cranial ¡Neural ¡Crest ¡Cells ¡ ChIP-seq, ATAC-seq, RNA-seq transposase ¡ p300 ¡ TFs ¡and ¡general ¡ ATAC ¡ H3K4me1 ¡ H3K27ac ¡ H3K4me3 ¡ p ¡ coac1vators ¡ (hypersensiHvity) ¡ p300, ¡ hypersensi)vity ¡ H3K27ac ¡ H3K4me1 ¡ Enhancer ¡ Promoter ¡ Gene ¡expression ¡ signature ¡ signature ¡ (RNA-­‑seq) ¡

Epigenomically ¡mapped ¡human ¡CNCC ¡enhancers ¡ drive ¡craniofacial ¡gene ¡expression ¡ in ¡vivo ¡ Mouse ¡embryo ¡LacZ ¡staining ¡ ¡(e11.5) ¡ enhancer ¡ LacZ ¡reporter ¡ sequence ¡ ¡ Enhancer ¡ ¡ 247 ¡regions ¡overlapping ¡acJve ¡CNCC ¡ enhancers ¡tested ¡by ¡the ¡VISTA ¡ Enhancer ¡Browser ¡ ¡ (L. ¡Pennacchio, ¡A. ¡Visel) ¡ ¡ enhancer ¡ signature ¡ VISTA ¡Enhancer ¡Browser ¡

Can ¡we ¡use ¡epigenomics ¡to ¡experimentally ¡ map ¡regulatory ¡divergence ¡in ¡human ¡and ¡ chimp ¡neural ¡crest ¡cells? ¡ structural ¡varia1on ¡ quan1ta1ve ¡change ¡at ¡ Changes ¡in ¡gene ¡ (no ¡clear ¡orthology) ¡ orthologous ¡regions ¡ chimp NCCs expression? ¡ “Invariant” ¡ “Species-­‑biased” ¡ enhancers ¡ enhancers ¡

Discovery ¡of ¡species-­‑biased ¡enhancers ¡ chimp NCCs chimp NCCs

QuanJtaJve ¡epigenomic ¡comparisons ¡at ¡ orthologous ¡regions ¡idenJfy ¡species-­‑biased ¡ enhancers ¡genome-­‑wide ¡ ¡ ¡H3K27ac ¡at ¡Human ¡Enhancers ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ chimp NCCs ¡ ¡H3K27ac ¡at ¡Chimp ¡Enhancers ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

Can ¡changes ¡in ¡specific ¡transcripJon ¡factor ¡ moJfs ¡explain ¡epigenomic ¡divergence? ¡ CorrelaJon ¡between ¡ moJf ¡changes ¡and ¡ divergence ¡of ¡ChIP ¡ CorrelaJon ¡ enrichments ¡between ¡ coefficient ¡ ¡ species ¡ Using ¡interspecies ¡geneHc ¡diversity ¡like ¡a ¡large-­‑scale ¡enhancer ¡mutagenesis ¡screen ¡ ¡

Can ¡changes ¡in ¡specific ¡transcripJon ¡factor ¡ moJfs ¡explain ¡epigenomic ¡divergence? ¡ CorrelaJon ¡between ¡ moJf ¡changes ¡and ¡ divergence ¡of ¡ChIP ¡ CorrelaJon ¡ enrichments ¡between ¡ coefficient ¡ ¡ species ¡ moJfs ¡ nega1vely ¡ moJfs ¡ posi1vely ¡ correlated ¡with ¡ correlated ¡with ¡gain ¡ gain ¡of ¡acJve ¡ of ¡acJve ¡signatures ¡ signatures ¡ (known ¡and ¡novel ¡NC ¡ (repressors) ¡ TFs) ¡

Surprise: ¡A ¡singular ¡outlier ¡moJf ¡strongly ¡ predicJve ¡of ¡permissive ¡chromaJn ¡states ¡ CorrelaJon ¡between ¡ moJf ¡changes ¡and ¡ divergence ¡of ¡ChIP ¡ CorrelaJon ¡ enrichments ¡between ¡ coefficient ¡ ¡ species ¡ ‘Coordinator’ ¡– ¡long ¡novel ¡moJf ¡

Surprise: ¡A ¡singular ¡outlier ¡moJf ¡strongly ¡ predicJve ¡of ¡permissive ¡chromaJn ¡states ¡ ‘Coordinator’ ¡: ¡ • Highly ¡predicJve ¡of ¡binding ¡of ¡other ¡TFs ¡ • Enriched ¡at ¡CNCC-­‑selecJve ¡enhancers ¡as ¡compared ¡to ¡pleiotropic ¡enhancers, ¡ and ¡at ¡species-­‑biased ¡enhancers ¡compared ¡to ¡invariant ¡ones ¡ • Sufficient ¡to ¡drive ¡expression ¡in ¡reporter ¡assays ¡in ¡CNCCs ¡ ¡ ‘Coordinator’ ¡– ¡long ¡novel ¡moJf ¡