Abstract Two dominant processes organizing chromosomes are loop extrusion and the compartmental segregation of active and inactive chromatin. The molecular players involved in loop extrusion during interphase, cohesin and CTCF, have been extensively studied and experimentally validated. However, neither the molecular determinants nor the functional roles of compartmentalization are well understood. Here, we distinguish three inactive chromatin states using contact frequency profiling, comprising two types of heterochromatin and a previously uncharacterized inactive state exhibiting a neutral interaction preference. We find that heterochromatin marked by long continuous stretches of H3K9me3, HP1α and HP1β correlates with a conserved signature of strong compartmentalization and is abundant in HCT116 colon cancer cells. We demonstrate that disruption of DNA methyltransferase activity dramatically remodels genome compartmentalization as a consequence of the loss of H3K9me3 and HP1 binding. Interestingly, H3K9me3-HP1α/β is replaced by the neutral inactive state and retains late replication timing. Furthermore, we show that H3K9me3-HP1α/β heterochromatin is permissive to loop extrusion by cohesin but refractory to CTCF, explaining a paucity of visible loop extrusion-associated patterns in Hi-C. Accordingly, CTCF loop extrusion barriers are reactivated upon loss of H3K9me3-HP1α/β, not as a result of canonical demethylation of the CTCF binding motif but due to an intrinsic resistance of H3K9me3-HP1α/β heterochromatin to CTCF binding. Together, our work reveals a dynamic structural and organizational diversity of the inactive portion of the genome and establishes new connections between the regulation of chromatin state and chromosome organization, including an interplay between DNA methylation, compartmentalization and loop extrusion. Highlights Three inactive chromatin states are distinguishable by long-range contact frequencies in HCT116, respectively associated with H3K9me3, H3K27me3 and a H3K9me2 state with neutral contact preferences. H3K9me3-HP1α/β heterochromatin has a high degree of homotypic affinity and is permissive to loop extrusion but depleted in extrusion barriers. Disrupting DNA methylation causes widespread loss of H3K9me3-HP1α/β and dramatic remodeling of genome compartmentalization. H3K9me3-HP1α/β is replaced by the neutral inactive state, which gains CTCF loop extrusion barriers and associated contact frequency patterns. DNA methylation suppresses CTCF binding via two distinct mechanisms.

Abstract The hallmarks of chromosome organization in multicellular eukaryotes are chromosome territories (CT), chromatin compartments, and different types of domains, including topologically associated domains (TADs). Yet, most of these concepts derive from analyses of organisms with monocentric chromosomes. Here we describe the 3D genome architecture of an organism with holocentric chromosomes, the silkworm Bombyx mori . At the genome-wide scale, B. mori chromosomes form highly separated territories and lack substantial trans contacts. As described in other eukaryotes, B. mori chromosomes segregate into an active A and an inactive B compartment. Remarkably, we also identify a third compartment, Secluded “S”, with a unique contact pattern. Compartment S shows strong enrichment of short-range contacts and depletion of long-range contacts. It hosts a unique combination of genetic and epigenetic features, localizes at the periphery of CTs and shows developmental plasticity. Biophysical modeling shows that formation of such secluded domains requires a new mechanism – a high density of extruded loops within them along with low level of extrusion and compartmentalization of A and B. Together with other evidence of loop extrusion in interphase, this suggests SMC-mediated loop extrusion in this insect. Overall, our analyses highlight the evolutionary plasticity of 3D genome organization driven by a new combination of known processes.

Abstract Conditional gene regulation in Drosophila through binary expression systems like the LexA-LexAop system provides a superb tool for investigating gene and tissue function. To increase the availability of defined LexA enhancer trap insertions, we present molecular, genetic and tissue expression studies of 301 novel Stan-X LexA enhancer traps derived from mobilization of the index SX4 line. This includes insertions into distinct loci on the X, II and III chromosomes that were not previously associated with enhancer traps or targeted LexA constructs, an insertion into ptc , and eleven insertions into natural transposons. A subset of enhancer traps was expressed in CNS neurons known to produce and secrete insulin, an essential regulator of growth, development and metabolism. Fly lines described here were generated and characterized through studies by students and teachers in an international network of genetics classes at public, independent high schools, and universities serving a diversity of students, including those underrepresented in science. Thus, a unique partnership between secondary schools and university-based programs has produced and characterized novel resources in Drosophila , establishing instructional paradigms devoted to unscripted experimental science.