Chromatin modifying activities inherent to polycomb repressive complexes PRC1 and PRC2 play an essential role in gene regulation, cellular differentiation, and development. However, the mechanisms by which these complexes recognize their target sites and function together to form repressive chromatin domains remain poorly understood. Recruitment of PRC1 to target sites has been proposed to occur through a hierarchical process, dependent on prior nucleation of PRC2 and placement of H3K27me3. Here, using a de novo targeting assay in mouse embryonic stem cells we unexpectedly discover that PRC1-dependent H2AK119ub1 leads to recruitment of PRC2 and H3K27me3 to effectively initiate a polycomb domain. This activity is restricted to variant PRC1 complexes, and genetic ablation experiments reveal that targeting of the variant PCGF1/PRC1 complex by KDM2B to CpG islands is required for normal polycomb domain formation and mouse development. These observations provide a surprising PRC1-dependent logic for PRC2 occupancy at target sites in vivo.

Douglas Higgs and colleagues functionally test the α-globin super-enhancer in mice by genetically deleting its constituent enhancers. They find that the individual regulatory elements seem to act independently and in an additive way with respect to hematological phenotype, gene expression, and chromatin structure and conformation. Many genes determining cell identity are regulated by clusters of Mediator-bound enhancer elements collectively referred to as super-enhancers. These super-enhancers have been proposed to manifest higher-order properties important in development and disease. Here we report a comprehensive functional dissection of one of the strongest putative super-enhancers in erythroid cells. By generating a series of mouse models, deleting each of the five regulatory elements of the α-globin super-enhancer individually and in informative combinations, we demonstrate that each constituent enhancer seems to act independently and in an additive fashion with respect to hematological phenotype, gene expression, chromatin structure and chromosome conformation, without clear evidence of synergistic or higher-order effects. Our study highlights the importance of functional genetic analyses for the identification of new concepts in transcriptional regulation.

ABSTRACT DNA folding within nuclei is a highly ordered process, with implications for gene regulation and development. An array of chromosome conformation capture (3C) methods have been developed to investigate how DNA is packaged within nuclei and to interrogate specific interactions. While these methods use different approaches to examine target loci (many-versus-all) or the entire genome (all-versus-all), they all rely on the core principle of endonuclease digestion and proximity-based ligation to re-arrange genomic order to reflect the three-dimensional nuclear conformation. This sequence reorganization creates novel chimeric DNA fragments which require specialist bioinformatic tools to analyze and visualize. Despite this need for specialist bioinformatic skills, the core biological importance of genome folding has seen widespread methodological uptake. To service the needs of experimentalists using the many-versus-all Capture-C family of methods we have developed CaptureCompendium; a toolkit of software to simplify the design, analysis and presentation of 3C experiments.

Abstract Mammalian genomes are subdivided into large (50-2000 kb) regions of chromatin referred to as Topologically Associating Domains (TADs or sub-TADs). Chromatin within an individual TAD contacts itself more frequently than with regions in surrounding TADs thereby directing enhancer-promoter interactions. In many cases, the borders of TADs are defined by convergently orientated boundary elements associated with CCCTC-binding factor (CTCF), which stabilises the cohesin complex on chromatin and prevents its translocation. This delimits chromatin loop extrusion which is thought to underlie the formation of TADs. However, not all CTCF-bound sites act as boundaries and, importantly, not all TADs are flanked by convergent CTCF sites. Here, we examined the CTCF binding sites within a ∼70 kb sub-TAD containing the duplicated mouse α-like globin genes and their five enhancers (5’-R1-R2-R3-Rm-R4-α1-α2-3’). The 5’ border of this sub-TAD is defined by a pair of CTCF sites. Surprisingly, we show that deletion of the CTCF binding sites within and downstream of the α-globin locus leaves the sub-TAD largely intact. The predominant 3’ border of the sub-TAD is defined by a steep reduction in contacts: this corresponds to the transcribed α2-globin gene rather than the CTCF sites at the 3’-end of the sub-TAD. Of interest, the almost identical α1- and α2-globin genes interact differently with the enhancers, resulting in preferential expression of the proximal α1-globin gene which behaves as a partial boundary between the enhancers and the distal α2-globin gene. Together, these observations provide direct evidence that actively transcribed genes can behave as boundary elements. Significance Statement Mammalian genomes are complex, organised 3D structures, partitioned into Topologically Associating Domains (TADs): chromatin regions that preferentially self-interact. These chromatin interactions are thought to be driven by a mechanism that continuously extrudes chromatin loops, forming structures delimited by chromatin boundary elements and reflecting the activity of enhancers and promoters. Boundary elements bind architectural proteins such as CCCTC-binding factor (CTCF). Previously, an overlap between the functional roles of enhancers and promoters has been shown. However, whether there is overlap between enhancers/promoters and boundary elements is not known. Here, we show that actively transcribed genes can also behave as boundary elements, similar to CTCF boundaries. In both cases, multi-protein complexes bound to these regions may stall the process of chromatin loop extrusion.

The promoters of mammalian genes are commonly regulated by multiple distal enhancers, which physically interact within discrete chromatin domains. How such domains form and how the regulatory elements within them interact within single cells is not understood. To address this we developed Tri-C, a new Chromosome Conformation Capture (3C) approach to identify concurrent chromatin interactions at individual alleles within single cells. The heterogeneity of interactions observed between such cells shows that CTCF-mediated formation of chromatin domains and interactions within them are dynamic processes. Importantly, our analyses reveal higher-order structures involving simultaneous interactions between multiple enhancers and promoters within individual cells. This provides a structural basis for understanding how multiple cis-elements act together to establish robust regulation of gene expression.

Specific communication between gene promoters and enhancers is critical for accurate regulation of gene expression. However, it remains unclear how specific interactions between multiple regulatory elements and genes contained within a single chromatin domain are coordinated. Recent technological advances allow for the investigation of multi-way chromatin interactions at single alleles in individual nuclei. This can provide insights into how multiple regulatory elements cooperate or compete for transcriptional activation. We have used these techniques in a mouse model in which the α-globin domain is extended to include several additional genes. This allows us to determine how the interactions of the α-globin super-enhancer are distributed between multiple promoters in a single domain. Our data show that gene promoters do not form mutually exclusive interactions with the super-enhancer, but all interact simultaneously in a single complex. These finding show that promoters within the same domain do not structurally compete for interactions with enhancers, but form a regulatory hub structure, consistent with the recent model of transcriptional activation in phase-separated nuclear condensates.