At the initiation of DNA double-strand break repair, a number of ubiquitylation events occur; here, the RNF8 ubiquitin E3 ligase and the ubiquitin-conjugating E2 enzyme, UBC13, are shown to primarily modify H1-type linker histones, via a K63 linkage. At the initiation of DNA double-strand break repair, a number of ubiquitination events occur. One damage-related ubiquitin E3 ligase, RNF168, is known to modify H2A family histones, but the target of the RNF8 ubiquitin E3 ligase was not clear. Niels Mailand and colleagues have now determined that RNF8 and the ubiquitin-conjugating E2 enzyme, UBC13, primarily modify H1-type linker histones, via a K63 linkage. This modification itself recruits RNF168 and downstream repair factors to the break. DNA double-strand breaks (DSBs) are highly cytotoxic DNA lesions that trigger non-proteolytic ubiquitylation of adjacent chromatin areas to generate binding sites for DNA repair factors. This depends on the sequential actions of the E3 ubiquitin ligases RNF8 and RNF168 (refs 1, 2, 3, 4, 5, 6), and UBC13 (also known as UBE2N), an E2 ubiquitin-conjugating enzyme that specifically generates K63-linked ubiquitin chains7. Whereas RNF168 is known to catalyse ubiquitylation of H2A-type histones, leading to the recruitment of repair factors such as 53BP1 (refs 8, 9, 10), the critical substrates of RNF8 and K63-linked ubiquitylation remain elusive. Here we elucidate how RNF8 and UBC13 promote recruitment of RNF168 and downstream factors to DSB sites in human cells. We establish that UBC13-dependent K63-linked ubiquitylation at DSB sites is predominantly mediated by RNF8 but not RNF168, and that H1-type linker histones, but not core histones, represent major chromatin-associated targets of this modification. The RNF168 module (UDM1) recognizing RNF8-generated ubiquitylations11 is a high-affinity reader of K63-ubiquitylated H1, mechanistically explaining the essential roles of RNF8 and UBC13 in recruiting RNF168 to DSBs. Consistently, reduced expression or chromatin association of linker histones impair accumulation of K63-linked ubiquitin conjugates and repair factors at DSB-flanking chromatin. These results identify histone H1 as a key target of RNF8–UBC13 in DSB signalling and expand the concept of the histone code12,13 by showing that posttranslational modifications of linker histones can serve as important marks for recognition by factors involved in genome stability maintenance, and possibly beyond.

Abstract The compaction of chromatin is a prevalent paradigm in gene repression. Chromatin compaction is commonly thought to repress transcription by restricting chromatin accessibility. However, the spatial organisation and dynamics of chromatin compacted by gene-repressing factors are unknown. Using cryo-electron tomography, we solved the three dimensional structure of chromatin condensed by the Polycomb Repressive Complex 1 (PRC1) in a complex with CBX8. PRC1-condensed chromatin is porous and stabilised through multivalent dynamic interactions of PRC1 with chromatin. Within condensates, PRC1 remains dynamic while maintaining a static chromatin structure. In differentiated mouse embryonic stem cells, CBX8-bound chromatin remains accessible. These findings challenge the idea of rigidly compacted polycomb domains and instead provides a mechanistic framework for dynamic and accessible PRC1-chromatin condensates.

Abstract Histone modifications are associated with distinct transcriptional states, but it is unclear whether they instruct gene expression. To investigate this, we mutated histone H3.3 K9 and K27 residues in mouse embryonic stem cells (mESCs). Here, we find that H3.3K9 is essential for controlling specific distal intergenic regions and for proper H3K27me3 deposition at promoters. The H3.3K9A mutation resulted in decreased H3K9me3 at regions encompassing endogenous retroviruses and induced a gain of H3K27ac and nascent transcription. These changes in the chromatin environment unleashed cryptic enhancers, resulting in the activation of distinctive transcriptional programs and culminating in protein expression normally restricted to specialized immune cell types. The H3.3K27A mutant disrupted deposition and spreading of the repressive H3K27me3 mark, particularly impacting bivalent genes with higher basal level of H3.3 at promoters. Therefore, H3.3K9 and K27 crucially orchestrate repressive chromatin states at cis -regulatory elements and bivalent promoters, respectively, and instruct proper transcription in mESCs.