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.

Abstract Polycomb repressive complex 1 (PRC1) is an essential chromatin-based repressor of gene transcription. However, how PRC1 engages with chromatin to identify its target genes and achieve gene repression remains poorly defined, representing a major hurdle to our understanding of Polycomb system function. Here we use genome engineering and single particle tracking to dissect how PRC1 binds to chromatin in live mouse embryonic stem cells. We reveal that PRC1 is highly dynamic, with only a small fraction stably interacting with chromatin. By integrating subunit-specific dynamics, chromatin binding, and abundance measurements, we discover that PRC1 exhibits surprisingly low occupancy at target sites. Furthermore, we employ perturbation approaches to uncover how specific components of PRC1 define its kinetics and chromatin binding. Together, these discoveries provide a quantitative understanding of chromatin binding by PRC1 in live cells, and suggests that chromatin modification, as opposed to PRC1 complex occupancy, is central to gene repression.

The Polycomb repressive system is an essential chromatin-based regulator of gene expression. Despite being extensively studied, how its target genes are selected and whether its histone modifying activities are required for transcriptional repression remains controversial. Here, we directly test the requirement for PRC1 catalytic activity in Polycomb system function. We demonstrate that a mutation widely used to disrupt PRC1 catalysis is hypomorphic, complicating the interpretation of previous studies. To overcome this, we develop a new inducible mutation system in embryonic stem cells that completely ablates PRC1 catalytic activity, revealing that catalysis by PRC1 drives Polycomb chromatin domain formation and higher-order chromatin interactions. In the absence of catalysis, we uncover the primary DNA-based targeting determinants that direct Polycomb target site selection. Finally, we discover that Polycomb-mediated gene repression requires PRC1 catalytic activity. Together these discoveries provide compelling new evidence supporting a PRC1-initiated pathway for Polycomb system function in gene regulation.

How chromosome organisation is related to genome function remains poorly understood. Cohesin, loop-extrusion, and CTCF have been proposed to create structures called topologically associating domains (TADs) to regulate gene expression. Here, we examine chromosome conformation in embryonic stem cells lacking cohesin and find as in other cell types that cohesin is required to create TADs and regulate A/B compartmentalisation. However, in the absence of cohesin we identify a series of long-range chromosomal interactions that persist. These correspond to regions of the genome occupied by the polycomb repressive system, depend on PRC1, and we discover that cohesin counteracts these interactions. This disruptive activity is independent of CTCF and TADs, and regulates gene repression by the polycomb system. Therefore, in contrast to the proposal that cohesin creates structure in chromosomes, we discover a new role for cohesin in disrupting polycomb-dependent chromosome interactions to regulate gene expression.

Abstract Histone-modifying systems play fundamental roles in gene regulation and the development of multicellular organisms. Histone modifications that are enriched at gene regulatory elements have been heavily studied, but the function of modifications that are found more broadly throughout the genome remains poorly understood. This is exemplified by histone H2A mono-ubiquitylation (H2AK119ub1) which is enriched at Polycomb-repressed gene promoters, but also covers the genome at lower levels. Here, using inducible genetic perturbations and quantitative genomics, we discover that the BAP1 deubiquitylase plays an essential role in constraining H2AK119ub1 throughout the genome. Removal of BAP1 leads to pervasive accumulation of H2AK119ub1, which causes widespread reductions in gene expression. We show that elevated H2AK119ub1 represses gene expression by counteracting transcription initiation from gene regulatory elements, causing reductions in transcription-associated histone modifications. Furthermore, failure to constrain pervasive H2AK119ub1 compromises Polycomb complex occupancy at a subset of Polycomb target genes leading to their derepression, therefore explaining the original genetic characterisation of BAP1 as a Polycomb group gene. Together, these observations reveal that the transcriptional potential of the genome can be modulated by regulating the levels of a pervasive histone modification, without the need for elaborate gene-specific targeting mechanisms.