Abstract Gonadal sex determination is controlled by the support cells of testes and ovaries. In testes, the epigenetic mechanism that maintains cellular memory to suppress female sexual differentiation remains unknown. Here, we show that Polycomb suppresses a female gene regulatory network in Sertoli cells, the specific support cells for postnatal testes. Through genetic ablation, we removed Polycomb repressive complex 1 (PRC1) from embryonic Sertoli cells after sex determination. PRC1-depleted postnatal Sertoli cells exhibited defective proliferation and cell death, leading to the degeneration of adult testes. In adult Sertoli cells, PRC1 suppressed the specific, critical genes required for granulosa cells, the support cells of ovaries, thereby inactivating the female gene regulatory network. The underlying chromatin of female genes was coated with Polycomb-mediated repressive modifications: PRC1-mediated H2AK119ub and PRC2-mediated H3K27me3. Taken together, we identify a critical mechanism centered on Polycomb that maintains the male fate in adult testes.

Activation of T cells is dependent on organized and timely opening and closing of chromatin. Herein, we identify AP-1 as the transcription factor that directs most of this remodeling. Chromatin accessibility profiling showed quick opening of closed chromatin in naive T cells within 5 hours of activation. These newly open regions were strongly enriched for the AP-1 motif, and indeed, ChIP-seq demonstrated AP-1 binding at more than 70% of them. Broad inhibition of AP-1 activity prevented chromatin opening at AP-1 sites and reduced expression of nearby genes. Similarly, induction of anergy in the absence of co-stimulation during activation, was associated with reduced induction of AP-1 and a failure of proper chromatin remodeling. The translational relevance of these findings was highlighted by the substantial overlap of AP-1 dependent elements with risk loci for multiple immune diseases, including multiple sclerosis, inflammatory bowel disease and allergic disease. Our findings define AP-1 as the key link between T cell activation and chromatin remodeling.

Aging profoundly affects immune-system function, promoting susceptibility to pathogens, cancers and chronic inflammation. We previously identified a population of IL-10-producing, T follicular helper-like cells (" Tfh10 "), linked to suppressed vaccine responses in aged mice. Here, we integrate single-cell ( sc )RNA-seq, scATAC-seq and genome-scale modeling to characterize Tfh10 - and the full CD4 + memory T cell ( CD4 + TM ) compartment - in young and old mice. We identified 13 CD4 + TM populations, which we validated through cross-comparison to prior scRNA-seq studies. We built gene regulatory networks ( GRNs ) that predict transcription-factor control of gene expression in each T-cell population and how these circuits change with age. Through integration with pan-cell aging atlases, we identified intercellular-signaling networks driving age-dependent changes in CD4 + TM. Our atlas of finely resolved CD4 + TM subsets, GRNs and cell-cell communication networks is a comprehensive resource of predicted regulatory mechanisms operative in memory T cells, presenting new opportunities to improve immune responses in the elderly.

Gene regulation in the germline ensures the production of high-quality gametes, long-term maintenance of the species, and speciation. Germline transcriptomes undergo dynamic changes after the mitosis-to-meiosis transition in males and have been subject to evolutionary divergence among mammals. However, the mechanism that underlies germline regulatory divergence remains undetermined. Here, we show that endogenous retroviruses influence species-specific germline transcriptomes in mammals. We show that the expression of endogenous retroviruses, particularly the evolutionarily young K family (ERVK), is associated with gene activation after the mitosis-to-meiosis transition in male mice. We demonstrate that accessible chromatin and H3K27ac, a marker of active enhancers, are tightly associated with ERVK loci as well as with the activation of neighboring evolutionarily young germline genes. Thus, ERVKs serve as evolutionarily novel enhancers in mouse spermatogenesis. These ERVK loci bear binding motifs for critical regulators of spermatogenesis such as A-MYB. The genome-wide transposition of ERVKs might have rewired germline gene expression in a species-specific manner. Notably, these features are present in human spermatogenesis, but independently evolved ERVs are associated with expression of germline genes, demonstrating the prevalence of ERV-driven mechanisms in mammals. Together, we propose a model whereby species-specific transcriptomes are fine-tuned by endogenous retroviruses in the mammalian germline.

The testis has the most diverse and complex transcriptome of all organs due to bursts in expression of thousands of germline-specific genes. Much of this unique gene expression takes place when mitotic germ cells differentiate and enter into meiotic prophase. Here, we demonstrate that the genome-wide reorganization of super-enhancers (SEs) drives bursts of germline genes after the mitosis-to-meiosis transition. At the mitosis-to-meiosis transition, mitotic SEs dissolve while meiotic SEs are established. Meiotic SEs are associated with the activation of key germline genes, defining the cellular identity of germ cells. This SE switching is regulated by the establishment of meiotic SEs via A-MYB (MYBL1), a key transcription factor for germline genes, and by the resolution of mitotic SEs via SCML2, a germline-specific Polycomb protein required for spermatogenesis-specific gene expression. Prior to the entry into meiosis, meiotic SEs are preprogrammed in mitotic spermatogonia, serving to direct the unidirectional differentiation of spermatogenesis. We identify key regulatory factors for both mitotic and meiotic enhancers, revealing a molecular logic for the concurrent activation of mitotic enhancers and suppression of meiotic enhancers in the somatic and/or mitotically proliferating phase.