Although enhancers are central to the regulation of mammalian gene expression, the mechanisms underlying Enhancer-Promoter (E-P) interactions remain unclear. Chromosome conformation capture (3C) methods effectively capture large-scale 3D genome structure but struggle to achieve the depth necessary to resolve fine-scale E-P interactions. Here, we develop Region Capture Micro-C (RCMC) by combining MNase-based 3C with a tiling region-capture approach and generate the deepest 3D genome maps reported thus far with only modest sequencing. By applying RCMC in mouse embryonic stem cells and reaching the genome-wide equivalent of ∼200 billion unique contacts, RCMC reveals previously unresolvable patterns of highly nested and focal 3D interactions, which we term microcompartments. Microcompartments frequently connect enhancers and promoters and are largely robust to loss of loop extrusion and inhibition of transcription. We therefore propose that many E-P interactions form through a compartmentalization mechanism, which may explain why acute cohesin depletion only modestly affects global gene expression.

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.

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.

Transcriptional coregulators and transcription factors (TFs) contain intrinsically disordered regions (IDRs) that are critical for their association and function in gene regulation. More recently, IDRs have been shown to promote multivalent protein-protein interactions between coregulators and TFs to drive their association into condensates. By contrast, here we demonstrate how the IDR of the corepressor LSD1 excludes TF association, acting as a dynamic conformational switch that tunes repression of active cis-regulatory elements. Hydrogen-deuterium exchange shows that the LSD1 IDR interconverts between transient open and closed conformational states, the latter of which inhibits partitioning of the protein's structured domains with TF condensates. This autoinhibitory switch controls leukemic differentiation by modulating repression of active cis-regulatory elements bound by LSD1 and master hematopoietic TFs. Together, these studies unveil alternative mechanisms by which disordered regions and their dynamic crosstalk with structured regions can shape coregulator-TF interactions to control cis-regulatory landscapes and cell fate.

Although only a fraction of CTCF motifs are bound in any cell type, and few occupied sites overlap cohesin, the mechanisms underlying cell-type specific attachment and ability to function as a chromatin organizer remain unknown. To investigate the relationship between CTCF and chromatin we applied a combination of imaging, structural and molecular approaches, using a series of brain and cancer associated CTCF mutations that act as CTCF perturbations. We demonstrate that binding and the functional impact of WT and mutant CTCF depend not only on the unique binding properties of each protein, but also on the genomic context of bound sites and enrichment of motifs for expressed TFs abutting these sites. Our studies also highlight the reciprocal relationship between CTCF and chromatin, demonstrating that the unique binding properties of WT and mutant proteins have a distinct impact on accessibility, TF binding, cohesin overlap, chromatin interactivity and gene expression programs, providing insight into their cancer and brain related effects.

Interactions between distal loci, including those involving enhancers and promoters, are a central mechanism of gene regulation in mammals, yet the protein regulators of these interactions remain largely undetermined. The zinc finger transcription factor ZNF143/ZFP143 has been strongly implicated as a regulator of chromatin interactions, functioning either with or without CTCF. However, ZNF143/ZFP143’s role in this process and its function, either with or without CTCF, are not well understood. Here, we tagged both CTCF and ZNF143/ZFP143 with dual-purpose degron/imaging tags to combinatorially assess their looping function and effect on each other. We find that ZNF143/ZFP143 possesses no general looping function in mouse and human cells, and that it largely functions independently of CTCF. Instead, ZNF143/ZFP143 is an essential and highly conserved transcription factor possessing an extremely stable chromatin residence time (>20 min) that regulates an important subset of mitochondrial and ribosomal genes.

Animals use a small number of morphogens to pattern tissues, but it is unclear how evolution modulates morphogen signaling range to match tissues of varying sizes. Here, we used single molecule imaging in reconstituted morphogen gradients and in tissue explants to determine that Hedgehog diffused extra-cellularly as a monomer, and rapidly transitioned between membrane-confined and -unconfined states. Unexpectedly, the vertebrate-specific protein SCUBE1 expanded Hedgehog gradients by accelerating the transition rates between states without affecting the relative abundance of molecules in each state. This observation could not be explained under existing models of morphogen diffusion. Instead, we developed a topology-limited diffusion model in which cell-cell gaps create diffusion barriers, and morphogens can only overcome the barrier by passing through a membrane-unconfined state. Under this model, SCUBE1 promotes Hedgehog secretion and diffusion by allowing it to transiently overcome diffusion barriers. This multiscale understanding of morphogen gradient formation unified prior models and discovered novel knobs that nature can use to tune morphogen gradient sizes across tissues and organisms.

The carboxy-terminal domain (CTD) of RNA polymerase (Pol) II is an intrinsically disordered low-complexity region that is critical for pre-mRNA transcription and processing. The CTD consists of hepta-amino acid repeats varying in number from 52 in humans to 26 in yeast. Here we report that human and yeast CTDs undergo cooperative liquid phase separation at increasing protein concentration, with the shorter yeast CTD forming less stable droplets. In human cells, truncation of the CTD to the length of the yeast CTD decreases Pol II clustering and chromatin association whereas CTD extension has the opposite effect. CTD droplets can incorporate intact Pol II and are dissolved by CTD phosphorylation with the transcription initiation factor IIH kinase CDK7. Together with published data, our results suggest that Pol II forms clusters/hubs at active genes through interactions between CTDs and with activators, and that CTD phosphorylation liberates Pol II enzymes from hubs for promoter escape and transcription elongation.

During mitosis, transcription is shut off, chromatin condenses, and most transcription factors (TFs) are reported to be excluded from chromosomes. How do daughter cells re-establish the original transcription program? Recent discoveries that a select set of TFs remain bound on mitotic chromosomes suggest a potential mechanism for maintaining transcriptional programs through the cell cycle termed mitotic bookmarking. Here we report instead that many TFs remain associated with chromosomes, and that the exclusion previously described is largely a fixation artifact. In particular, most TFs we tested are significantly enriched on mitotic chromosomes. Studies with Sox2 reveal that this mitotic interaction is more dynamic than in interphase and requires both DNA binding and nuclear import. Furthermore, this dynamic mode results from lack of transcriptional activation rather than decreased accessibility of underlying DNA sequences in mitosis. The nature of the cross-linking artifact prompts careful re-examination of the role of TFs in mitotic bookmarking.

Abstract It remains unclear why acute depletion of CTCF and cohesin only marginally affects expression of most genes despite substantially perturbing 3D genome folding at the level of domains and structural loops. To address this conundrum, we used high-resolution Micro-C and nascent transcript profiling to find that enhancer-promoter (E-P) interactions are largely insensitive to acute (3-hour) depletion of CTCF, cohesin, and WAPL. YY1 has been proposed to be a structural regulator of E-P loops, but acute YY1 depletion also had minimal effects on E-P loops, transcription, and 3D genome folding. Strikingly, live-cell single-molecule imaging revealed that cohesin depletion reduced transcription factor binding to chromatin. Thus, although neither CTCF, cohesin, WAPL, nor YY1 are required for the short-term maintenance of most E-P interactions and gene expression, we propose that cohesin may serve as a “transcription factor binding platform” that facilitates transcription factor binding to chromatin.