Long noncoding RNAs (lncRNAs) comprise a diverse class of transcripts that structurally resemble mRNAs but do not encode proteins. Recent genome-wide studies in humans and the mouse have annotated lncRNAs expressed in cell lines and adult tissues, but a systematic analysis of lncRNAs expressed during vertebrate embryogenesis has been elusive. To identify lncRNAs with potential functions in vertebrate embryogenesis, we performed a time-series of RNA-seq experiments at eight stages during early zebrafish development. We reconstructed 56,535 high-confidence transcripts in 28,912 loci, recovering the vast majority of expressed RefSeq transcripts while identifying thousands of novel isoforms and expressed loci. We defined a stringent set of 1133 noncoding multi-exonic transcripts expressed during embryogenesis. These include long intergenic ncRNAs (lincRNAs), intronic overlapping lncRNAs, exonic antisense overlapping lncRNAs, and precursors for small RNAs (sRNAs). Zebrafish lncRNAs share many of the characteristics of their mammalian counterparts: relatively short length, low exon number, low expression, and conservation levels comparable to that of introns. Subsets of lncRNAs carry chromatin signatures characteristic of genes with developmental functions. The temporal expression profile of lncRNAs revealed two novel properties: lncRNAs are expressed in narrower time windows than are protein-coding genes and are specifically enriched in early-stage embryos. In addition, several lncRNAs show tissue-specific expression and distinct subcellular localization patterns. Integrative computational analyses associated individual lncRNAs with specific pathways and functions, ranging from cell cycle regulation to morphogenesis. Our study provides the first systematic identification of lncRNAs in a vertebrate embryo and forms the foundation for future genetic, genomic, and evolutionary studies.

After fertilization the embryonic genome is inactive until transcription is initiated during the maternal-zygotic transition. This transition coincides with the formation of pluripotent cells, which in mammals can be used to generate embryonic stem cells. To study the changes in chromatin structure that accompany pluripotency and genome activation, we mapped the genomic locations of histone H3 molecules bearing lysine trimethylation modifications before and after the maternal-zygotic transition in zebrafish. Histone H3 lysine 27 trimethylation (H3K27me3), which is repressive, and H3K4me3, which is activating, were not detected before the transition. After genome activation, more than 80% of genes were marked by H3K4me3, including many inactive developmental regulatory genes that were also marked by H3K27me3. Sequential chromatin immunoprecipitation demonstrated that the same promoter regions had both trimethylation marks. Such bivalent chromatin domains also exist in embryonic stem cells and are thought to poise genes for activation while keeping them repressed. Furthermore, we found many inactive genes that were uniquely marked by H3K4me3. Despite this activating modification, these monovalent genes were neither expressed nor stably bound by RNA polymerase II. Inspection of published data sets revealed similar monovalent domains in embryonic stem cells. Moreover, H3K4me3 marks could form in the absence of both sequence-specific transcriptional activators and stable association of RNA polymerase II, as indicated by the analysis of an inducible transgene. These results indicate that bivalent and monovalent domains might poise embryonic genes for activation and that the chromatin profile associated with pluripotency is established during the maternal-zygotic transition.

Abstract Histone posttranslational modifications (PTMs) are key gene expression regulators, but their rapid dynamics during development remain difficult to capture. We describe an approach that images fluorescent antibody fragments to quantify PTM enrichment and active transcription at defined loci during zygotic genome activation in living zebrafish embryos. The technique reveals a drastic increase in histone H3 Lys27 acetylation (H3K27ac) before genome activation both at a specific locus and globally.

Chromatin is organized into heterochromatin, which is transcriptionally inactive, and euchromatin, which can switch between transcriptionally active and inactive states. This switch in euchromatin activity is accompanied by changes in its spatial distribution. How euchromatin rearrangements are established is unknown. Here we use super-resolution and live-cell microscopy to show that transcriptionally inactive euchromatin moves away from transcriptionally active euchromatin. This movement is driven by the formation of RNA-enriched microenvironments that exclude inactive euchromatin. Using theory, we show that the segregation into RNA-enriched microenvironments and euchromatin domains can be considered an active microemulsion. The tethering of transcripts to chromatin via RNA polymerase II forms effective amphiphiles that intersperse the two segregated phases. Taken together with previous experiments, our data suggest that chromatin is organized in the following way: heterochromatin segregates from euchromatin by phase separation, while transcription organizes euchromatin similar to an active microemulsion.

The localization of transcriptional activity in specialized transcription bodies is a hallmark of gene expression in eukaryotic cells. It remains unclear, however, if and how they affect gene expression. Here, we disrupted the formation of two prominent endogenous transcription bodies that mark the onset of zygotic transcription in zebrafish embryos and analysed the effect on gene expression using enriched SLAM-Seq and live-cell imaging. We find that the disruption of transcription bodies results in downregulation of hundreds of genes, providing experimental support for a model in which transcription bodies increase the efficiency of transcription. We also find that a significant number of genes are upregulated, counter to the suggested stimulatory effect of transcription bodies. These upregulated genes have accessible chromatin and are poised to be transcribed in the presence of the two transcription bodies, but they do not go into elongation. Live-cell imaging shows that the disruption of the two large transcription bodies enables these poised genes to be transcribed in ectopic transcription bodies, suggesting that the large transcription bodies sequester a pause release factor. Supporting this hypothesis, we find that CDK9, the kinase that releases paused polymerase II, is highly enriched in the two large transcription bodies. Importantly, overexpression of CDK9 in wild type embryos results in the formation of ectopic transcription bodies and thus phenocopies the removal of the two large transcription bodies. Taken together, our results show that transcription bodies regulate transcription genome-wide: the accumulation of transcriptional machinery creates a favourable environment for transcription locally, while depriving genes elsewhere in the nucleus from the same machinery.

In many organisms, early embryonic development is driven by maternally provided factors until the controlled onset of transcription during zygotic genome activation. The regulation of chromatin accessibility and its relationship to gene activity during this transition remains poorly understood. Here, we generated chromatin accessibility maps from genome activation until the onset of lineage specification. During this period, chromatin accessibility increases at regulatory elements. This increase is independent of RNA polymerase II-mediated transcription, with the exception of the hyper-transcribed miR-430 locus. Instead, accessibility often precedes the transcription of associated genes. Loss of the maternal transcription factors Pou5f3, Sox19b, and Nanog, which are known to be required for zebrafish genome activation, results in decreased accessibility at regulatory elements. Importantly, the accessibility of regulatory regions, especially when established by Pou5f3, Sox19b and Nanog, is predictive for future transcription. Our results show that the maternally provided transcription factors Pou5f3, Sox19b, and Nanog open up chromatin and prime genes for activity during zygotic genome activation in zebrafish.

Absolute quantification of proteins elucidates the molecular composition, regulation and dynamics of multiprotein assemblies and networks. Here we report on a method termed MS Western that accurately determines the molar abundance of dozens of user-selected proteins at the sub-femtomole level in whole cell or tissue lysates without metabolic or chemical labelling and without using specific antibodies. MS Western relies upon GeLC-MS/MS and quantifies proteins by in-gel co-digestion with an isotopically labelled QconCAT protein chimera composed of concatenated proteotypic peptides. It requires no purification of the chimera and relates the molar abundance of all proteotypic peptides to a single reference protein. In comparative experiments, MS Western outperformed immunofluorescence Western blotting by the protein detection specificity, linear dynamic range and sensitivity of protein quantification. To validate MS Western in an in vivo experiment, we quantified the molar content of zebrafish core histones H2A, H2B, H3 and H4 during ten stages of early embryogenesis. Accurate quantification (CV<10%) corroborated the anticipated histones equimolar stoichiometry and revealed an unexpected trend in their total abundance.

Abstract In the cytoplasm, filamentous actin (F-actin) plays a critical role in cell regulation, including cell migration, stress fiber formation, and cytokinesis. Recent studies have shown that actin filaments that form in the nucleus are associated with diverse functions. Here, using live imaging of an F-actin-specific probe, superfolder GFP-tagged utrophin (UtrCH-sfGFP), we demonstrated the dynamics of nuclear actin in zebrafish ( Danio rerio ) embryos. In early zebrafish embryos up to around the high stage, UtrCH-sfGFP increasingly accumulated in nuclei during the interphase and reached a peak during the prophase. After nuclear envelope breakdown (NEBD), patches of UtrCH-sfGFP remained in the vicinity of condensing chromosomes during the prometaphase to metaphase. When zygotic transcription was inhibited by injecting α-amanitin, the nuclear accumulation of UtrCH-sfGFP was still observed at the sphere and dome stages, suggesting that zygotic transcription may induce a decrease in nuclear F-actin. The accumulation of F-actin in nuclei may contribute to proper mitotic progression of large cells with rapid cell cycles in zebrafish early embryos, by assisting in NEBD, chromosome congression, and/or spindle assembly. Summary statement Filamentous actin accumulates in the nucleus of zebrafish early embryos and forms patches associating with condensing chromosomes during prophase.

Upon fertilization, the genome of animal embryos remains transcriptionally inactive until the maternal-to-zygotic transition. At this time, the embryo takes control of its development and transcription begins. How the onset of zygotic transcription is regulated remains unclear. Here, we show that a dynamic competition for DNA binding between nucleosome-forming histones and transcription factors regulates zebrafish genome activation. Taking a quantitative approach, we found that the concentration of non-DNA bound core histones sets the time for the onset of transcription. The reduction in nuclear histone concentration that coincides with genome activation does not affect nucleosome density on DNA, but allows transcription factors to compete successfully for DNA binding. In agreement with this, transcription factor binding is sensitive to histone levels and the concentration of transcription factors also affects the time of transcription. Our results demonstrate that the relative levels of histones and transcription factors regulate the onset of transcription in the embryo.

Transcription factor (TF) clusters have been suggested to facilitate transcription. The mechanisms driving the formation of TF clusters and their impact on transcription, however, remain largely unclear. This is mostly due to the lack of a tractable system. Here, we exploit the transcriptional activation of mir430 in zebrafish embryos to simultaneously follow the dynamic formation of a large Nanog cluster, the underlying DNA, and transcription output by live imaging at high temporal and spatial resolution. We find that the formation of a Nanog cluster that can support transcription requires local DNA compaction. This brings more Nanog-binding sites into the cluster, and therefore more Nanog. Importantly, we find that Nanog stabilizes this TF-DNA cluster, which emphasizes the interdependent relationship between TFs and DNA dynamics in cluster formation. Once the Nanog-DNA cluster at the mir430 locus reaches a maximum amount of Nanog, transcription begins. This maximum is a locus-intrinsic feature, which shows that the locus self-regulates the recruitment of an optimal amount of Nanog. Our study supports a model in which endogenous TF clusters positively impact transcription and form through a combination of DNA binding and local DNA compaction.