Understanding the topological configurations of chromatin may reveal valuable insights into how the genome and epigenome act in concert to control cell fate during development. Here, we generate high-resolution architecture maps across seven genomic loci in embryonic stem cells and neural progenitor cells. We observe a hierarchy of 3D interactions that undergo marked reorganization at the submegabase scale during differentiation. Distinct combinations of CCCTC-binding factor (CTCF), Mediator, and cohesin show widespread enrichment in chromatin interactions at different length scales. CTCF/cohesin anchor long-range constitutive interactions that might form the topological basis for invariant subdomains. Conversely, Mediator/cohesin bridge short-range enhancer-promoter interactions within and between larger subdomains. Knockdown of Smc1 or Med12 in embryonic stem cells results in disruption of spatial architecture and downregulation of genes found in cohesin-mediated interactions. We conclude that cell-type-specific chromatin organization occurs at the submegabase scale and that architectural proteins shape the genome in hierarchical length scales.

Genomes across a wide range of eukaryotic organisms fold into higher-order chromatin domains. Topologically associating domains (TADs) were originally discovered empirically in low-resolution Hi-C heat maps representing ensemble average interaction frequencies from millions of cells. Here, we discuss recent advances in high-resolution Hi-C, single-cell imaging experiments, and functional genetic studies, which provide an increasingly complex view of the genome’s hierarchical structure–function relationship. On the basis of these new findings, we update the definitions of distinct classes of chromatin domains according to emerging knowledge of their structural, mechanistic and functional properties. Recent advances in Hi-C, single-cell imaging and functional genetic studies warrant discussion on the functional relevance of topologically associating domains (TADs) and other classes of chromatin domains.

CTCF is an architectural protein with a critical role in connecting higher-order chromatin folding in pluripotent stem cells. Recent reports have suggested that CTCF binding is more dynamic during development than previously appreciated. Here, we set out to understand the extent to which shifts in genome-wide CTCF occupancy contribute to the 3D reconfiguration of fine-scale chromatin folding during early neural lineage commitment. Unexpectedly, we observe a sharp decrease in CTCF occupancy during the transition from naïve/primed pluripotency to multipotent primary neural progenitor cells (NPCs). Many pluripotency gene-enhancer interactions are anchored by CTCF, and its occupancy is lost in parallel with loop decommissioning during differentiation. Conversely, CTCF binding sites in NPCs are largely preexisting in pluripotent stem cells. Only a small number of CTCF sites arise de novo in NPCs. We identify another zinc finger protein, Yin Yang 1 (YY1), at the base of looping interactions between NPC-specific genes and enhancers. Putative NPC-specific enhancers exhibit strong YY1 signal when engaged in 3D contacts and negligible YY1 signal when not in loops. Moreover, siRNA knockdown of Yy1 specifically disrupts interactions between key NPC enhancers and their target genes. YY1-mediated interactions between NPC regulatory elements are often nested within constitutive loops anchored by CTCF. Together, our results support a model in which YY1 acts as an architectural protein to connect developmentally regulated looping interactions; the location of YY1-mediated interactions may be demarcated in development by a preexisting topological framework created by constitutive CTCF-mediated interactions.

Variants of UNC13A, a critical gene for synapse function, increase the risk of amyotrophic lateral sclerosis and frontotemporal dementia

Abstract Splicing is the stepwise molecular process by which introns are removed from pre-mRNA and exons are joined together to form mature mRNA sequences. The ordering and spatial distribution of these steps remain controversial, with opposing models suggesting splicing occurs either during or after transcription. We used single-molecule RNA FISH, expansion microscopy, and live-cell imaging to reveal the spatiotemporal distribution of nascent transcripts in mammalian cells. At super-resolution levels, we found that pre-mRNA formed clouds around the transcription site. These clouds indicate the existence of a transcription site proximal zone through which RNA move more slowly than in the nucleoplasm. Full-length pre-mRNA undergo continuous splicing as they move through this zone following transcription, suggesting a model in which splicing can occur post-transcriptionally but still within the proximity of the transcription site, thus seeming co-transcriptional by most assays. These results may unify conflicting reports of co-transcriptional versus post-transcriptional splicing.

Abstract Cohesin and CTCF are major drivers of 3D genome organization, but their role in neurons is still emerging. Here we show a prominent role for cohesin in the expression of genes that facilitate neuronal maturation and homeostasis. Unexpectedly, we observed two major classes of activity-regulated genes with distinct reliance on cohesin in primary cortical neurons. Immediate early genes remained fully inducible by KCl and BDNF, and short-range enhancer-promoter contacts at the Immediate early gene Fos formed robustly in the absence of cohesin. In contrast, cohesin was required for full expression of a subset of secondary response genes characterised by long-range chromatin contacts. Cohesin-dependence of constitutive neuronal genes with key functions in synaptic transmission and neurotransmitter signaling also scaled with chromatin loop length. Our data demonstrate that key genes required for the maturation and activation of primary cortical neurons depend cohesin for their full expression, and that the degree to which these genes rely on cohesin scales with the genomic distance traversed by their chromatin contacts.

Abstract Short tandem repeat (STR) instability is causally linked to pathologic transcriptional silencing in a subset of repeat expansion disorders. In fragile X syndrome (FXS), instability of a single CGG STR tract is thought to repress FMR1 via local DNA methylation. Here, we report the acquisition of more than ten Megabase-sized H3K9me3 domains in FXS, including a 5-8 Megabase block around FMR1 . Distal H3K9me3 domains encompass synaptic genes with STR instability, and spatially co-localize in trans concurrently with FMR1 CGG expansion and the dissolution of TADs. CRISPR engineering of mutation-length FMR1 CGG to normal-length preserves heterochromatin, whereas cut-out to pre-mutation-length attenuates a subset of H3K9me3 domains. Overexpression of a pre-mutation-length CGG de-represses both FMR1 and distal heterochromatinized genes, indicating that long-range H3K9me3-mediated silencing is exquisitely sensitive to STR length. Together, our data uncover a genome-wide surveillance mechanism by which STR tracts spatially communicate over vast distances to heterochromatinize the pathologically unstable genome in FXS. One-Sentence Summary Heterochromatinization of distal synaptic genes with repeat instability in fragile X is reversible by overexpression of a pre-mutation length CGG tract.

Summary Chromosome-Conformation-Capture-Carbon-Copy (5C) is a molecular technology based on proximity ligation that enables high-resolution and high-coverage inquiry of long-range chromatin looping interactions. Computational pipelines for analyzing 5C data involve a series of inter-dependent normalization procedures and statistical methods that markedly influence downstream biological results. A detailed analysis of the trade-offs inherent to all stages of 5C analysis has not been reported, but is essential for understanding the biological basis of looping. Here, we provide a comparative assessment of method performance at each step in the 5C analysis pipeline, including sequencing depth and library complexity correction, bias mitigation, spatial noise reduction, distance-dependent expected and variance estimation, modeling, and loop detection. We present a detailed discussion of methodological advantages/disadvantages at each step and provide a full suite of algorithms, lib5C, to allow investigators to test the range of approaches on their own high-resolution 5C data. Principles learned from our comparative analyses will have broad impact on many other forms of Chromosome-Conformation-Capture-based data, including Hi-C, 4C, and Capture-C.

ABSTRACT Prolonged stress exposure is a major risk factor for the development of depression and comorbid anxiety. Efforts to understand how recurrent stress induces behavioral maladaptation have largely concentrated on the neuronal synapse with limited understanding of the underlying epigenetic mechanisms. Here, we performed complementary bulk nuclei- and single-nucleus transcriptome profiling and mapped fine-scale chromatin architecture in mice subjected to chronic unpredictable stress (CUS) to identify the cell type-specific epigenetic alterations that drive complex behavior. We find that neocortical excitatory neurons are particularly vulnerable to chronic stress and acquire signatures of transcription and chromatin configuration that denote reduced neuronal activity and expression of Yin Yang 1 (YY1). Selective ablation of YY1 in excitatory neurons of the prefrontal cortex (PFC) enhances stress sensitivity in mice, inducing depressive- and anxiety-related behaviors and deregulating the expression of stress-associated genes following an abbreviated stress exposure. Notably, we find that loss of YY1 in PFC excitatory neurons provokes more maladaptive behaviors in stressed females than males. These findings demonstrate how chronic stress provokes maladaptive behavior by epigenetically shaping excitatory neurons in the PFC, identifying a novel molecular target for therapeutic treatment of stress-related mood and anxiety disorders.