The nuclear lamina (NL) interacts with hundreds of large genomic regions termed lamina associated domains (LADs). The dynamics of these interactions and the relation to epigenetic modifications are poorly understood. We visualized the fate of LADs in single cells using a "molecular contact memory" approach. In each nucleus, only ∼30% of LADs are positioned at the periphery; these LADs are in intermittent molecular contact with the NL but remain constrained to the periphery. Upon mitosis, LAD positioning is not detectably inherited but instead is stochastically reshuffled. Contact of individual LADs with the NL is linked to transcriptional repression and H3K9 dimethylation in single cells. Furthermore, we identify the H3K9 methyltransferase G9a as a regulator of NL contacts. Collectively, these results highlight principles of the dynamic spatial architecture of chromosomes in relation to gene regulation.

Abstract The essential CCCTC-binding factor (CTCF) is critical to three-dimensional (3D) genome organization. CTCF binding insulates active and repressed genes within the Hox clusters upon differentiation, but such binding does not participate in boundary formation in all cell types, such as embryonic stem cells. We conducted a genome-wide CRISPR knockout screen to identify genes required for CTCF boundary activity at the HoxA cluster, complemented by novel biochemical approaches. This screen identified Myc-associated zinc finger protein (MAZ) as a CTCF insulator co-factor, among other candidates listed herein. MAZ depletion or specific deletion of MAZ motifs within the Hox clusters led to de-repression of posterior Hox genes immediately after CTCF boundaries upon differentiation, which phenocopied deletion of the proximal CTCF motifs. Similar to CTCF, MAZ interacted with the cohesin subunit, RAD21. Upon loss of MAZ, local contacts within topologically associated domains (TADs) were disrupted, as evidenced by HiC analysis. Thus, MAZ is a novel factor sharing insulation properties with CTCF and contributing to the genomic architectural organization. One Sentence Summary MAZ is identified as an insulator functioning at CTCF boundaries delimiting active and repressed genes at Hox clusters

FACT (facilitates chromatin transcription) is a protein complex that allows RNAPII to overcome the nucleosome-induced barrier to transcription. While abundant in undifferentiated cells and many cancers, FACT is not abundant or is absent in most tissues. Therefore, we screened for additional proteins that might replace FACT upon differentiation. Here we report the identification of two such proteins, LEDGF and HDGF2, each containing two HMGA-like AT-hooks and a PWWP methyl-lysine reading domain known to bind to H3K36me2 and H3K36me3. LEDGF and HDGF2 localize with H3K36me2/3 at genomic regions containing active genes, usually adjacent to H3K27me3 domains. In myoblasts, where FACT expression is low, LEDGF and HDGF2 are enriched on most active genes. Upon differentiation to myotubes, LEDGF levels decrease across the genome while HDGF2 levels are maintained. Moreover, HDGF2 is recruited to the majority of myotube up-regulated genes and is required for their proper expression. HDGF2 knockout myoblasts exhibit an accumulation of paused RNAPII proximal to the first nucleosome within the transcribed region of many HDGF2 target genes, indicating a defect in early elongation. We propose that LEDGF and HDGF2 substitute for FACT in differentiated tissues and that their distribution on the genome helps maintain transcriptional programs unique to particular cell types.

Partitioning of repressive from actively transcribed chromatin in mammalian cells fosters cell-type-specific gene expression patterns. While this partitioning is reconstructed during differentiation, the chromatin occupancy of the key insulator, CCCTC-binding factor (CTCF), is unchanged at the developmentally important Hox clusters. Thus, dynamic changes in chromatin boundaries must entail other activities. Given its requirement for chromatin loop formation, we examined cohesin-based chromatin occupancy without known insulators, CTCF and Myc-associated zinc-finger protein (MAZ), and identified a family of zinc-finger proteins (ZNFs), some of which exhibit tissue-specific expression. Two such ZNFs foster chromatin boundaries at the Hox clusters that are distinct from each other and from MAZ. PATZ1 was critical to the thoracolumbar boundary in differentiating motor neurons and mouse skeleton, while ZNF263 contributed to cervicothoracic boundaries. We propose that these insulating activities act with cohesin, alone or combinatorially, with or without CTCF, to implement precise positional identity and cell fate during development.

Abstract CCCTC-binding factor (CTCF) and MAZ are recognized insulators required for shielding repressed posterior genes from active anterior genes within the Hox clusters during motor neuron (MN) differentiation. CTCF and MAZ interact independently with cohesin and regulate three-dimensional genome organization. Here, we followed cohesin re-location upon CTCF and MAZ depletion in mouse embryonic stem cells (mESCs) to identify novel insulators. Cohesin relocated to DNA motifs for various transcription factors, including PATZ1 and other zinc finger proteins (ZNFs). Moreover, PATZ1 and ZNFs co-localized with CTCF, MAZ, and cohesin with apparent overlapping specificity as dictated by the site to be insulated. Similar to CTCF and MAZ, PATZ1 interacted with RAD21. Patz1 KO mESCs exhibited altered global gene expression. While the absence of MAZ impacts anterior CTCF-boundaries as shown previously 1 , Patz1 KO led to derepression of posterior Hox genes, resulting in cervicothoracic transformation of motor neuron (MN) fate during differentiation. These findings point to a varied, combinatorial binding of known and newly defined accessory factors as being critical for positional identity and cellular fate determination during differentiation.