Polycomb-repressive complex 1 (PRC1) has a central role in the regulation of heritable gene silencing during differentiation and development. PRC1 recruitment is generally attributed to interaction of the chromodomain of the core protein Polycomb with trimethyl histone H3K27 (H3K27me3), catalyzed by a second complex, PRC2. Unexpectedly we find that RING1B, the catalytic subunit of PRC1, and associated monoubiquitylation of histone H2A are targeted to closely overlapping sites in wild-type and PRC2-deficient mouse embryonic stem cells (mESCs), demonstrating an H3K27me3-independent pathway for recruitment of PRC1 activity. We show that this pathway is mediated by RYBP-PRC1, a complex comprising catalytic subunits of PRC1 and the protein RYBP. RYBP-PRC1 is recruited to target loci in mESCs and is also involved in Xist RNA-mediated silencing, the latter suggesting a wider role in Polycomb silencing. We discuss the implications of these findings for understanding recruitment and function of Polycomb repressors.

The mammalian genome harbors up to one million regulatory elements often located at great distances from their target genes. Long-range elements control genes through physical contact with promoters and can be recognized by the presence of specific histone modifications and transcription factor binding. Linking regulatory elements to specific promoters genome-wide is currently impeded by the limited resolution of high-throughput chromatin interaction assays. Here we apply a sequence capture approach to enrich Hi-C libraries for >22,000 annotated mouse promoters to identify statistically significant, long-range interactions at restriction fragment resolution, assigning long-range interacting elements to their target genes genome-wide in embryonic stem cells and fetal liver cells. The distal sites contacting active genes are enriched in active histone modifications and transcription factor occupancy, whereas inactive genes contact distal sites with repressive histone marks, demonstrating the regulatory potential of the distal elements identified. Furthermore, we find that coregulated genes cluster nonrandomly in spatial interaction networks correlated with their biological function and expression level. Interestingly, we find the strongest gene clustering in ES cells between transcription factor genes that control key developmental processes in embryogenesis. The results provide the first genome-wide catalog linking gene promoters to their long-range interacting elements and highlight the complex spatial regulatory circuitry controlling mammalian gene expression.

Sarah Elderkin and colleagues show that PRC1 acts as a master regulator of genome architecture in mouse embryonic stem cells by organizing genes in three-dimensional interaction networks. They find that the strongest spatial network is composed of the four Hox clusters and key early developmental transcription factor genes, and they propose that selective release of genes from this spatial network underlies cell fate specification during embryonic development. The Polycomb repressive complexes PRC1 and PRC2 maintain embryonic stem cell (ESC) pluripotency by silencing lineage-specifying developmental regulator genes1. Emerging evidence suggests that Polycomb complexes act through controlling spatial genome organization2,3,4,5,6,7,8,9. We show that PRC1 functions as a master regulator of mouse ESC genome architecture by organizing genes in three-dimensional interaction networks. The strongest spatial network is composed of the four Hox gene clusters and early developmental transcription factor genes, the majority of which contact poised enhancers. Removal of Polycomb repression leads to disruption of promoter-promoter contacts in the Hox gene network. In contrast, promoter-enhancer contacts are maintained in the absence of Polycomb repression, with accompanying widespread acquisition of active chromatin signatures at network enhancers and pronounced transcriptional upregulation of network genes. Thus, PRC1 physically constrains developmental transcription factor genes and their enhancers in a silenced but poised spatial network. We propose that the selective release of genes from this spatial network underlies cell fate specification during early embryonic development.

ABSTRACT Precise control of gene expression underpins normal development. This relies on mechanisms that enable communication between gene promoters and other regulatory elements. In embryonic stem cells (ESCs), the CDK-Mediator (CDK-MED) complex has been reported to physically link gene regulatory elements to enable gene expression and also prime genes for induction during differentiation. Here we discover that CDK-MED contributes little to 3D genome organisation in ESCs, but has a specific and essential role in controlling interactions between inactive gene regulatory elements bound by Polycomb repressive complexes (PRCs). These interactions are established by the canonical PRC1 (cPRC1) complex but rely on CDK-MED, which facilitates binding of cPRC1 to its target sites. Importantly, through separation of function experiments, we reveal that this collaboration between CDK-MED and cPRC1 in creating long-range interactions does not function to prime genes for induction during differentiation. Instead, we discover that priming relies on an interaction-independent mechanism whereby the CDK module supports core Mediator engagement with gene promoters to enable gene activation.

Abstract The Polycomb system plays fundamental roles in regulating gene expression during mammalian development. However, how it controls transcription to enable gene repression has remained enigmatic. Here we employ rapid degron-based depletion coupled with live-cell transcription imaging and single-particle tracking to uncover how the Polycomb system controls transcription in single cells. We discover that the Polycomb system is not a constitutive block to transcription but instead sustains a long-lived deep promoter OFF-state which limits the frequency with which the promoter can enter into a transcribing state. We demonstrate that Polycomb sustains this deep promoter OFF-state by counteracting the binding of factors that enable early transcription pre-initiation complex formation and show that this is necessary for gene repression. Together these important discoveries provide a new rationale for how the Polycomb system controls transcription and suggests a universal mechanism that could enable the Polycomb system to constrain transcription across diverse cellular contexts.

CpG islands are gene regulatory elements associated with the majority of mammalian promoters, yet how they regulate gene expression remains poorly understood. Here, we identify FBXL19 as a CpG island-binding protein in mouse embryonic stem (ES) cells and show that it associates with the CDK-Mediator complex. We discover that FBXL19 recruits CDK-Mediator to CpG island-associated promoters of non-transcribed developmental genes to prime these genes for activation during cell lineage commitment. We further show that recognition of CpG islands by FBXL19 is essential for mouse development. Together this reveals a new CpG island-centric mechanism for CDK-Mediator recruitment to developmental gene promoters in ES cells and a requirement for CDK-Mediator in priming these developmental genes for activation during cell lineage commitment.

Abstract Transcription must be highly controlled to regulate gene expression and development. However, our understanding of the molecular mechanisms that influence transcription and how these are coordinated in cells to ensure normal gene expression remains rudimentary. Here, we reveal that actively transcribed CpG island-associated gene promoters recruit SET1 chromatin modifying complexes to enable gene expression. Counterintuitively, this effect is independent of SET1 complex histone modifying activity, and instead relies on the capacity of these complexes to interact with the RNA Polymerase II-binding protein, WDR82. Unexpectedly, we discover that SET1 complexes sustain gene transcription by counteracting the activity of the ZC3H4/WDR82 protein complex, which we show can pervasively terminate both genic and extragenic transcription. Therefore, we discover a new gene regulatory mechanism whereby CpG island elements nucleate a protein complex that protects genic transcription from premature termination, effectively distinguishing genic from non-genic transcription to enable gene expression.

Abstract The potential of pluripotent cells to respond to developmental cues and trigger cell differentiation is enhanced during the G1 phase of the cell cycle, but the molecular mechanisms involved are poorly understood. Variations in polycomb activity during interphase progression have been hypothesized to regulate the cell-cycle-phase-dependent transcriptional activation of differentiation genes during lineage transition in pluripotent cells. Here, we asked whether the Polycomb Repressive Complex 1 (PRC1) modulates the ability of mouse embryonic stem cells (ESCs) to differentially respond to developmental cues depending on the phase of the cell cycle in which they are found. We discovered that recruitment of PRC1 complexes and their associated molecular functions, ubiquitination of H2AK119 and three-dimensional chromatin interactions, are enhanced during S and G2 phases compared to the G1 phase. In agreement with the accumulation of PRC1 at target promoters upon G1 phase exit, cells in S and G2 phases show firmer transcriptional repression of developmental regulator genes that is drastically perturbed upon genetic ablation of the PRC1 catalytic subunit Ring1b . Importantly, depletion of Ring1b during retinoic acid stimulation interferes with the preference of mESCs to induce the transcriptional activation of differentiation genes in G1 phase. We propose that incremental enrolment of polycomb repressive activity during interphase progression reduces the tendency of cells to respond to developmental cues during S and G2 phases, facilitating activation of cell differentiation in the G1 phase of the pluripotent cell cycle.