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.

Enhancers possess both structural elements mediating promoter looping and functional elements mediating gene expression. Traditional models of enhancer-mediated gene regulation imply genomic overlap or immediate adjacency of these elements. We test this model by combining densely-tiled CRISPRa screening with nucleosome-resolution Region Capture Micro-C topology analysis. Using this integrated approach, we comprehensively define the cis-regulatory landscape for the tumor suppressor PTEN, identifying and validating 10 distinct enhancers and defining their 3D spatial organization. Unexpectedly, we identify several long-range functional enhancers whose promoter proximity is facilitated by chromatin loop anchors several kilobases away, and demonstrate that accounting for this spatial separation improves the computational prediction of validated enhancers. Thus, we propose a new model of enhancer organization incorporating spatial separation of essential functional and structural components.

How specific enhancer-promoter pairing is established is still mostly unclear. Besides the CTCF/cohesin machinery, only a few nuclear factors have been studied for a direct role in physically connecting regulatory elements. Here, we show via acute degradation experiments that LDB1 directly and broadly promotes enhancer-promoter loops. Most LDB1-mediated contacts, even those spanning hundreds of kb, can form in the absence of CTCF, cohesin, or YY1 as determined via the use of multiple degron systems. Moreover, an engineered LDB1-driven chromatin loop is cohesin independent. Cohesin-driven loop extrusion does not stall at LDB1 occupied sites but may aid the formation of a subset of LDB1 anchored loops. Leveraging the dynamic reorganization of nuclear architecture during the transition from mitosis to G1-phase, we establish a relationship between LDB1-dependent interactions in the context of TAD organization and gene activation. Lastly, Tri-C and Region Capture Micro-C reveal that LDB1 organizes multi-enhancer networks to activate transcription. This establishes LDB1 as a direct driver of regulatory network inter-connectivity.

DNA looping is vital for establishing many enhancer-promoter interactions. While CTCF is known to anchor many cohesin-mediated loops, the looped chromatin fiber appears to predominantly exist in a poorly characterized actively extruding state. To better characterize extruding chromatin loop structures, we used CTCF MNase HiChIP data to determine both CTCF binding at high resolution and 3D contact information. Here we present FactorFinder, a tool that identifies CTCF binding sites at near base-pair resolution. We leverage this substantial advance in resolution to determine that the fully extruded (CTCF-CTCF) state is rare genome-wide with locus-specific variation from ~1-10%. We further investigate the impact of chromatin state on loop extrusion dynamics, and find that active enhancers and RNA Pol II impede cohesin extrusion, facilitating an enrichment of enhancer-promoter contacts in the partially extruded loop state. We propose a model of topological regulation whereby the transient, partially extruded states play active roles in transcription.