Summary The mammalian genome is organised into topologically associating domains (TADs) that are formed through the process of cohesin-driven loop extrusion 1–3 and whose extent is constrained at TAD boundaries by orientation-dependent CTCF binding 4–7 . The large regulatory landscapes of developmental genes frequently correspond to TADs, leading to the hypothesis that TADs and/or loop extrusion are important for enhancers to act on their cognate gene 8,9 . However, it has proven hard to interpret the consequences of experimental disruption of TADs or loop-extrusion on gene regulation 3,6,10 , in part because of the difficulty in distinguishing direct from indirect effects on enhancer-driven gene expression. By coupling acute protein degradation with synthetic activation by targeted transcription factor recruitment in mouse embryonic stem cells, here we show that cohesin, but not CTCF, is required for activation of a target gene by distant distal regulatory elements. Cohesin is not required for activation directly at the promoter or activation from an enhancer located closer to the gene. Our findings support the hypothesis that chromatin compaction mediated by cohesin-mediated loop extrusion allows for genes to be activated by regulatory elements that are located many hundreds of kilobases away in the linear genome but suggests that cohesin is dispensable for more genomically close enhancers.

Enhancers are critical regulators of gene expression and can be located far from their target gene. It is widely assumed that mechanisms of enhancer action involve reorganization of three-dimensional chromatin architecture, but this is poorly understood. Here we identify a novel mechanism of long-range enhancer associated chromatin reorganization. At the Sonic hedgehog (Shh) locus we observe large-scale decompaction of chromatin between Shh and its brain enhancers in neural progenitor cells. We show that the chromatin unfolding is dependent on activation of the enhancers, not the promoter, is impeded by chromatin-bound proteins located between the enhancer and promoter, and is mediated by the recruitment of Poly (ADP-Ribose) Polymerase 1. We suggest that large-scale chromatin decompaction, analogous to the inducible puffs in Drosophila polytene chromosomes, represents a new mechanism of chromatin reorganization coupled to long-range gene activation from mammalian enhancers and that seems incompatible with a chromatin-looping model of enhancer-promoter communication.

Abstract Polycomb-repressive complex 1 (PRC1) has a strong influence on 3D genome organization, mediating local chromatin compaction as well as localized and chromosome-wide clustering of target loci. Several subunits of PRC1 have been shown to have the capacity to form biomolecular condensates through liquid-liquid phase separation in vitro and when tagged and over-expressed in cells. Here, we use 1,6-hexandiol, which disrupts liquid-like condensates, to examine the role of endogenous PRC1 biomolecular condensates on local and chromosome-wide clustering of PRC1-bound loci. Using imaging and chromatin immunoprecipitation combined with deep sequencing analyses, we show that PRC1-mediated chromatin compaction and clustering of targeted genomic loci – at megabase and tens of megabase length scales – can be reversibly disrupted by the addition and subsequent removal of 1,6-hexandiol to mouse embryonic stem cells. Decompaction and dispersal of polycomb domains and clusters cannot be solely attributable to the reduction of PRC1 binding following 1,6-hexandiol treatment as the addition of 2,5-hexandiol has similar effects on binding despite this alcohol not perturbing PRC1-mediated 3D clustering, at least at the sub-megabase and megabase scales. These results suggest that weak hydrophobic interactions between PRC1 molecules, characteristic of liquid-liquid phase separation, have a role in polycomb-mediated genome organization.