Using a single-nucleus Hi-C protocol, the authors find that spatial organization of chromatin during oocyte-to-zygote transition differs between paternal and maternal nuclei within a single-cell zygote. It has been difficult to investigate chromosome organization in early embryos with genomic techniques owing to the paucity of cellular material. Here, Kikuë Tachibana-Konwalski and colleagues have developed a single-nucleus Hi-C protocol, which they apply to investigate chromatin organization during the developmental transition from oocytes to zygotes in mice. They find that chromatin architecture is distinct in the paternal and maternal pronuclei within a single-cell zygote. Zygotic maternal nuclei contain topological domains and loops but no A–B compartments, whereas compartments can be observed in paternal nuclei. Clusters of contacts are variable between individual cells and do not always match topological domains across populations. The authors propose that the organization of zygotic maternal chromatin represents a transition state towards that of totipotent cells. Chromatin is reprogrammed after fertilization to produce a totipotent zygote with the potential to generate a new organism1. The maternal genome inherited from the oocyte and the paternal genome provided by sperm coexist as separate haploid nuclei in the zygote. How these two epigenetically distinct genomes are spatially organized is poorly understood. Existing chromosome conformation capture-based methods2,3,4,5 are not applicable to oocytes and zygotes owing to a paucity of material. To study three-dimensional chromatin organization in rare cell types, we developed a single-nucleus Hi-C (high-resolution chromosome conformation capture) protocol that provides greater than tenfold more contacts per cell than the previous method2. Here we show that chromatin architecture is uniquely reorganized during the oocyte-to-zygote transition in mice and is distinct in paternal and maternal nuclei within single-cell zygotes. Features of genomic organization including compartments, topologically associating domains (TADs) and loops are present in individual oocytes when averaged over the genome, but the presence of each feature at a locus varies between cells. At the sub-megabase level, we observed stochastic clusters of contacts that can occur across TAD boundaries but average into TADs. Notably, we found that TADs and loops, but not compartments, are present in zygotic maternal chromatin, suggesting that these are generated by different mechanisms. Our results demonstrate that the global chromatin organization of zygote nuclei is fundamentally different from that of other interphase cells. An understanding of this zygotic chromatin ‘ground state’ could potentially provide insights into reprogramming cells to a state of totipotency.

Several general principles of global 3D genome organization have recently been established, including non-random positioning of chromosomes and genes in the cell nucleus, distinct chromatin compartments, and topologically associating domains (TADs). However, the extent and nature of cell-to-cell and cell-intrinsic variability in genome architecture are still poorly characterized. Here, we systematically probe heterogeneity in genome organization. High-throughput optical mapping of several hundred intra-chromosomal interactions in individual human fibroblasts demonstrates low association frequencies, which are determined by genomic distance, higher-order chromatin architecture, and chromatin environment. The structure of TADs is variable between individual cells, and inter-TAD associations are common. Furthermore, single-cell analysis reveals independent behavior of individual alleles in single nuclei. Our observations reveal extensive variability and heterogeneity in genome organization at the level of individual alleles and demonstrate the coexistence of a broad spectrum of genome configurations in a cell population.

Fertilization triggers assembly of higher-order chromatin structure from a condensed maternal and a naïve paternal genome to generate a totipotent embryo. Chromatin loops and domains have been detected in mouse zygotes by single-nucleus Hi-C (snHi-C), but not bulk Hi-C. It is therefore unclear when and how embryonic chromatin conformations are assembled. Here, we investigated whether a mechanism of cohesin-dependent loop extrusion generates higher-order chromatin structures within the one-cell embryo. Using snHi-C of mouse knockout embryos, we demonstrate that the zygotic genome folds into loops and domains that critically depend on Scc1-cohesin and that are regulated in size and linear density by Wapl. Remarkably, we discovered distinct effects on maternal and paternal chromatin loop sizes, likely reflecting differences in loop extrusion dynamics and epigenetic reprogramming. Dynamic polymer models of chromosomes reproduce changes in snHi-C, suggesting a mechanism where cohesin locally compacts chromatin by active loop extrusion, whose processivity is controlled by Wapl. Our simulations and experimental data provide evidence that cohesin-dependent loop extrusion organizes mammalian genomes over multiple scales from the one-cell embryo onward.

Structural maintenance of chromosomes (SMC) complexes play critical roles in chromosome dynamics in virtually all organisms, but how they function remains poorly understood. In the bacterium Bacillus subtilis, SMC-condensin complexes are topologically loaded at centromeric sites adjacent to the replication origin. Here we provide evidence that these ring-shaped assemblies tether the left and right chromosome arms together while traveling from the origin to the terminus (>2 megabases) at rates >50 kilobases per minute. Condensin movement scales linearly with time, providing evidence for an active transport mechanism. These data support a model in which SMC complexes function by processively enlarging DNA loops. Loop formation followed by processive enlargement provides a mechanism by which condensin complexes compact and resolve sister chromatids in mitosis and by which cohesin generates topologically associating domains during interphase.

Animal genomes are folded into loops and topologically associating domains (TADs) by CTCF and loop-extruding cohesins, but the live dynamics of loop formation and stability remain unknown. Here, we directly visualized chromatin looping at the

Abstract Cohesin folds mammalian interphase chromosomes by extruding the chromatin fiber into numerous loops. “Loop extrusion” can be impeded by chromatin-bound factors, such as CTCF, which generates characteristic and functional chromatin organization patterns. It has been proposed that transcription relocalizes or interferes with cohesin, and that active promoters are cohesin loading sites. However, the effects of transcription on cohesin have not been reconciled with observations of active extrusion by cohesin. To determine how transcription modulates extrusion, we studied mouse cells in which we could alter cohesin abundance, dynamics, and localization by genetic ‘knockouts’ of the cohesin regulators CTCF and Wapl. Through Hi-C experiments, we discovered intricate, cohesin-dependent contact patterns near active genes. Chromatin organization around active genes exhibited hallmarks of interactions between transcribing RNA polymerases (RNAPs) and extruding cohesins. These observations could be reproduced by polymer simulations in which RNAPs were “moving barriers” to extrusion that obstructed, slowed, and pushed cohesins. The simulations predicted that preferential loading of cohesin at promoters is inconsistent with our experimental data. Additional ChIP-seq experiments showed that the putative cohesin loader Nipbl is not predominantly enriched at promoters. Therefore, we propose that cohesin is not preferentially loaded at promoters and that the barrier function of RNAP accounts for cohesin accumulation at active promoters. Altogether, we find that RNAP is a new type of extrusion barrier that is not stationary, but rather, translocates and relocalizes cohesin. Loop extrusion and transcription might interact to dynamically generate and maintain gene interactions with regulatory elements and shape functional genomic organization. Significance Statement Loop extrusion by cohesin is critical to folding the mammalian genome into loops. Extrusion can be halted by CTCF proteins bound at specific genomic loci, which generates chromosomal domains and can regulate gene expression. However, the process of transcription itself can modulate cohesin, thus refolding chromosomes near active genes. Through experiments and simulations, we show that transcribing RNA polymerases (RNAPs) act as “moving barriers” to loop-extruding cohesins. Unlike stationary CTCF barriers, RNAPs actively relocalize cohesins, which generates characteristic patterns of spatial organization around active genes. Our model predicts that the barrier function of RNAP can explain why cohesin accumulates at active promoters and provides a mechanism for clustering active promoters. Through transcription-extrusion interactions, cells might dynamically regulate functional genomic contacts.

Abstract Eukaryotic genomes are compacted into loops and topologically associating domains (TADs), which contribute to transcription, recombination and genomic stability. Cohesin extrudes DNA into loops that are thought to lengthen until CTCF boundaries are encountered. Little is known about whether loop extrusion is impeded by DNA-bound macromolecular machines. We demonstrate that the replicative helicase MCM is a barrier that restricts loop extrusion in G1 phase. Single-nucleus Hi-C of one-cell embryos revealed that MCM loading reduces CTCF-anchored loops and decreases TAD boundary insulation, suggesting loop extrusion is impeded before reaching CTCF. Single-molecule imaging shows that MCMs are physical barriers that frequently constrain cohesin translocation in vitro. Simulations are consistent with MCMs as abundant, random barriers. We conclude that distinct loop extrusion barriers contribute to shaping 3D genomes. One Sentence Summary MCM complexes are obstacles that impede the formation of CTCF-anchored loops.

Animal genomes are folded into loops and topologically associating domains (TADs) by CTCF and cohesin, but whether these loops are stable or dynamic is unknown. Here, we directly visualize chromatin looping at the Fbn2 TAD in mouse embryonic stem cells using super-resolution live-cell imaging and quantify looping dynamics by Bayesian inference. Our results are consistent with cohesin-mediated loop extrusion in cells, and with CTCF both stopping and stabilizing cohesin. Surprisingly, the Fbn2 loop is both rare and dynamic, with a looped fraction of ~3-6.5% and a median loop lifetime of ~10-30 minutes. Instead of a stable loop, our results establish a highly dynamic view of TADs and loops where the Fbn2 TAD exists predominantly in a partially extruded conformation. This dynamic and quantitative view of TADs may facilitate a mechanistic understanding of their functions.

Summary The spatial organization of chromosomes by structural maintenance of chromosomes (SMC) complexes is vital to organisms from bacteria to humans 1,2 . SMC complexes were recently found to be motors that extrude DNA loops 3–11 . It remains unclear, however, what happens when multiple SMC complexes encounter one another in vivo on the same DNA, how encounters are resolved, or how interactions help organize an active genome 12 . Here, we set up a “crash-course track” system to study what happens when SMC complexes encounter one another. Using the parS /ParB system, which loads SMC complexes in a targeted manner 13–17 , we engineered the Bacillus subtilis chromosome to have multiple SMC loading sites. Chromosome conformation capture (Hi-C) analyses of over 20 engineered strains show an amazing variety of never-before-seen chromosome folding patterns. Polymer simulations indicate these patterns require SMC complexes to traverse past each other in vivo , contrary to the common assumption that SMC complexes mutually block each other’s extrusion activity 18 . Our quantitative model of bypassing predicted that increasing the numbers of SMCs on the chromosome could overwhelm the bypassing mechanism, create SMC traffic jams, and lead to major chromosome reorganization. We validated these predictions experimentally. We posit that SMC complexes traversing one another is part of a larger phenomenon of bypassing large steric barriers which enables these loop extruders to spatially organize a functional and busy genome.

DNA double-strand breaks (DSBs) occur every cell cycle and must be efficiently repaired. Non-homologous end joining (NHEJ) is the dominant pathway for DSB repair in G1-phase. The first step of NHEJ is to bring the two DSB ends back into proximity (synapsis). However, although synapsis is generally assumed to occur through passive diffusion, we show here that passive diffusion is unlikely to be consistent with the speed and efficiency of NHEJ observed in cells. Instead, we hypothesize that DNA loop extrusion facilitates synapsis. By combining experimentally constrained simulations and theory, we show that the simplest loop extrusion model only modestly facilitates synapsis. Instead, a loop extrusion model with targeted loading of loop extruding factors (LEFs), a small portion of long-lived LEFs as well as LEF stabilization by boundary elements and DSB ends achieves fast synapsis with near 100% efficiency. We propose that loop extrusion plays an underappreciated role in DSB repair.