Chromosome conformation capture technologies have revealed important insights into genome folding. Yet, how spatial genome architecture is related to gene expression and cell fate remains unclear. We comprehensively mapped 3D chromatin organization during mouse neural differentiation in vitro and in vivo, generating the highest-resolution Hi-C maps available to date. We found that transcription is correlated with chromatin insulation and long-range interactions, but dCas9-mediated activation is insufficient for creating TAD boundaries de novo. Additionally, we discovered long-range contacts between gene bodies of exon-rich, active genes in all cell types. During neural differentiation, contacts between active TADs become less pronounced while inactive TADs interact more strongly. An extensive Polycomb network in stem cells is disrupted, while dynamic interactions between neural transcription factors appear in vivo. Finally, cell type-specific enhancer-promoter contacts are established concomitant to gene expression. This work shows that multiple factors influence the dynamics of chromatin interactions in development.

The most common mutation in human melanoma, BRAF(V600E), activates the serine/threonine kinase BRAF and causes excessive activity in the mitogen-activated protein kinase pathway. BRAF(V600E) mutations are also present in benign melanocytic naevi, highlighting the importance of additional genetic alterations in the genesis of malignant tumours. Such changes include recurrent copy number variations that result in the amplification of oncogenes. For certain amplifications, the large number of genes in the interval has precluded an understanding of the cooperating oncogenic events. Here we have used a zebrafish melanoma model to test genes in a recurrently amplified region of chromosome 1 for the ability to cooperate with BRAF(V600E) and accelerate melanoma. SETDB1, an enzyme that methylates histone H3 on lysine 9 (H3K9), was found to accelerate melanoma formation significantly in zebrafish. Chromatin immunoprecipitation coupled with massively parallel DNA sequencing and gene expression analyses uncovered genes, including HOX genes, that are transcriptionally dysregulated in response to increased levels of SETDB1. Our studies establish SETDB1 as an oncogene in melanoma and underscore the role of chromatin factors in regulating tumorigenesis.

Summary Cell fate depends on genetic, epigenetic and environmental inputs that are interconnected, making it difficult to disentangle their respective contributions to cell fate decisions 1-3 , and epigenetic reprogramming is a major contributor to tumor plasticity and adaptation 4-6 . Although cancer initiation and progression are generally associated with the accumulation of somatic mutations 7,8 , substantial epigenomic alterations underlie many aspects of tumorigenesis and cancer susceptibility 9-18 , suggesting that genetic mechanisms alone may not be sufficient to drive malignant transformations 19-23 . However, whether purely non-genetic reprogramming mechanisms are sufficient to initiate tumorigenesis irrespective of mutations is unknown. Here, we show that a transient perturbation of transcriptional silencing mediated by Polycomb-Group proteins is sufficient to induce an irreversible switch to a cancer cell fate in Drosophila . This is linked to the irreversible derepression of genes that can drive tumorigenesis, including JNK and JAK-STAT signalling pathways and zfh1 , the fly homolog of the ZEB1 oncogene, which we show to be a necessary driver of the cancer fate. These data show that a reversible perturbation of Polycomb-Group protein levels can induce cancer in the absence of driver mutations and suggest that this is achieved through epigenetic inheritance of altered cell fates.