Two distinct fates, pluripotent epiblast (EPI) and primitive (extra-embryonic) endoderm (PrE), arise from common progenitor cells, the inner cell mass (ICM), in mammalian embryos. To study how these sister identities are forged, we leveraged embryonic (ES) and e

ABSTRACT Mammalian embryogenesis commences with two pivotal and binary cell fate decisions that give rise to three essential lineages, the trophectoderm (TE), the epiblast (EPI) and the primitive endoderm (PrE). Although key signaling pathways and transcription factors that control these early embryonic decisions have been identified, the non-coding regulatory elements via which transcriptional regulators enact these fates remain understudied. To address this gap, we have characterized, at a genome-wide scale, enhancer activity and 3D connectivity in embryo-derived stem cell lines that represent each of the early developmental fates. We observed extensive enhancer remodeling and fine-scale 3D chromatin rewiring among the three lineages, which strongly associate with transcriptional changes, although there are distinct groups of genes that are irresponsive to topological changes. In each lineage, a high degree of connectivity or “hubness” positively correlates with levels of gene expression and enriches for cell-type specific and essential genes. Genes within 3D hubs also show a significantly stronger probability of coregulation across lineages, compared to genes in linear proximity or within the same contact domains. By incorporating 3D chromatin features, we build a novel predictive model for transcriptional regulation (3D-HiChAT), which outperformed models that use only 1D promoter or proximal variables in predicting levels and cell-type specificity of gene expression. Using 3D-HiChAT, we performed genome-wide in silico perturbations to nominate candidate functional enhancers and hubs in each cell lineage, and with CRISPRi experiments we validated several novel enhancers that control expression of one or more genes in their respective lineages. Our study comprehensively identifies 3D regulatory hubs associated with the earliest mammalian lineages and describes their relationship to gene expression and cell identity, providing a framework to understand lineage-specific transcriptional behaviors. HIGHLIGHTS - Cell lines representing early embryonic lineages undergo drastic enhancer remodeling and fine-scale 3D chromatin reorganization - Highly interacting 3D hubs strongly enrich for highly expressed, cell-type specific and essential genes - 3D chromatin features greatly improve prediction of cell-type specific gene expression compared to 1D promoter features - In silico and experimental perturbations identify novel enhancers regulating the expression of two or more genes in early embryonic lineages

Embryonic stem cells (ESC) have the unique ability to differentiate into all three germ cell layers. ESC transition through different states of pluripotency in response to growth factor signals and environmental cues before becoming terminally differentiated. Here, we demonstrated, by a multi-omic strategy, that the deubiquitinase USP9X regulates the developmental potential of ESC, and their transition from a naive to a more developmentally advance, or primed, state of pluripotency. We show that USP9X facilitates developmental gene expression and induces modifications of the mitochondrial bioenergetics, including decreased routing of pyruvate towards its oxidation and reduced respiration. In addition, USP9X binds to the pluripotency factor ESRRB, regulates its abundance and the transcriptional levels of a subset of its target genes. Finally, under permissive culture conditions, depletion of Usp9X accelerates cell differentiation in all cell lineages. We thus identified a new regulator of naive pluripotency and show that USP9X couples ESRRB pluripotency transcriptional network and cellular metabolism, both of which are important for ESC fate and pluripotency.

In the recent years, massively parallel sequencing approaches identified hundreds of mutated genes in cancer( [1][1] ) providing an unprecedented amount of information about mechanisms of cancer cell maintenance and progression. However, while (it is widely accepted that) transformation processes result from oncogenic cooperation between deregulated genes and pathways, the functional characterization of candidate key players is mostly performed at the single gene level which is generally inadequate to identify these oncogene circuitries. In addition, studies aimed at depicting oncogenic cooperation involve the generation of challenging mouse models or the deployment of tedious screening pipelines. Genome wide mapping of epigenomic modifications on histone tails or binding of factors such as MED1 and BRD4 allowed identification of clusters of regulatory elements, also termed Super-Enhancers (SE)( [2][2] ). Functional annotation of these regions revealed their high relevance during normal tissue development and cancer ontogeny( [3][3] ). An interesting paradigm of the tumorigenic function of these SE regions comes from ETO2-GLIS2 -driven acute megakaryoblastic leukemia (AMKL) in which the fusion protein ETO2-GLIS2 is sufficient to promote an aberrant transcriptional network by the rewiring of SE regions( [4][4] ). We thus hypothesized that important regulatory regions could control simultaneously expression of genes cooperating in functional modules to promote cancer development. In an effort to identify such modules, we deployed a genome-wide CRISPRi-based screening approach and nominated SE regions that are functionally linked to leukemia maintenance. In particular, we pinpointed a novel SE region regulating the expression of both tyrosine kinases KIT and PDGFRA. Whereas the inhibition of each kinase alone affected modestly cancer cell growth, combined inhibition of both receptors synergizes to impair leukemia cell growth and survival. Our results demonstrate that genome-wide screening of regulatory DNA elements can identify co-regulated genes collaborating to promote cancer and could open new avenues to the concept of combined gene inhibition upon single hit targeting. [1]: #ref-1 [2]: #ref-2 [3]: #ref-3 [4]: #ref-4

The molecular mechanisms that drive essential developmental patterning events in the mammalian embryo remain poorly understood. To generate a conceptual framework for gene regulatory processes during germ layer specification, we analyzed transcription factor (TF) expression kinetics around gastrulation and during in vitro differentiation. This approach identified Otx2 as a candidate regulator of definitive endoderm (DE), the precursor of all gut-derived tissues. Analysis of multipurpose degron alleles in gastruloid and directed differentiation models revealed that loss of OTX2 before or after DE specification alters the expression of core components and targets of specific cellular signaling pathways, perturbs adhesion and migration programs as well as de-represses regulators of other lineages, resulting in impaired foregut specification. Key targets of OTX2 are conserved in human DE. Mechanistically, OTX2 is required to establish chromatin accessibility at candidate enhancers, which regulate genes critical to establishing an anterior cell identity in the developing gut. Our results provide a working model for the progressive establishment of spatiotemporal cell identity by developmental TFs across germ layers and species, which may facilitate the generation of gut cell types for regenerative medicine applications.