Abstract The shuffling of genetic material facilitated by meiotic crossovers is a critical driver of genetic variation. Therefore, the number and positions of crossover events must be carefully controlled. In Arabidopsis , an obligate crossover and repression of nearby crossovers on each chromosome pair are abolished in mutants that lack the synaptonemal complex (SC), a conserved protein scaffold. We use mathematical modelling and quantitative super-resolution microscopy to explore and mechanistically explain meiotic crossover pattering in Arabidopsis lines with full, incomplete or abolished synapsis. For zyp1 mutants, which lack an SC, we develop a coarsening model in which crossover precursors globally compete for a limited pool of the pro-crossover factor HEI10, with dynamic HEI10 exchange mediated through the nucleoplasm. We demonstrate that this model is capable of quantitatively reproducing and predicting zyp1 experimental crossover patterning and HEI10 foci intensity data. Additionally, we find that a model combining both SC- and nucleoplasm-mediated coarsening can explain crossover patterning in wild-type Arabidopsis and in pch2 mutants, which display partial synapsis. Together, our results reveal that regulation of crossover patterning in wild-type Arabidopsis and SC defective mutants likely act through the same underlying coarsening mechanism, differing only in the spatial compartments through which the pro-crossover factor diffuses.

Abstract Methylation of CG dinucleotides (mCG), which regulates eukaryotic genome functions, is epigenetically propagated by Dnmt1/MET1 methyltransferases. How mCG is established and transmitted across generations despite imperfect enzyme fidelity remains mysterious. Here we show that MET1 de novo activity, which is enhanced by existing proximate methylation, seeds and stabilizes mCG in Arabidopsis thaliana genes. MET1 activity is restricted by active demethylation and suppressed by histone variant H2A.Z. Based on these observations, we develop a mathematical model that precisely recapitulates mCG inheritance dynamics and predicts intragenic mCG patterns and their population-scale variation given only CG site spacing as input. The model reveals that intragenic mCG undergoes large, millennia-long epigenetic fluctuations, and can therefore mediate evolution on this timescale. Our results demonstrate how genic methylation patterns are created, reconcile imperfect mCG maintenance with long-term stability, and establish a quantitative model that unifies the establishment and epigenetic inheritance of mCG. Highlights MET1 mediates a unified process of mCG establishment and maintenance within genes ROS1 and H2A.Z regulate the epigenetic dynamics of genic mCG A mathematical model predicts genic mCG patterns and their population variance Genic mCG undergoes large epigenetic fluctuations that can last thousands of years

Abstract Cytosine methylation within CG dinucleotides (mCG) can be epigenetically inherited over many generations. Such inheritance is thought to be mediated by a semiconservative mechanism that produces binary present/absent methylation patterns. However, we show here that in Arabidopsis thaliana h1ddm1 mutants, intermediate heterochromatic mCG is stably inherited across many generations and is quantitatively associated with transposon expression. We develop a mathematical model that estimates the rates of semiconservative maintenance failure and de novo methylation at each transposon, demonstrating that mCG can be stably inherited at any level via a dynamic balance of these activities. We find that DRM2 – the core methyltransferase of the RNA-directed DNA methylation pathway – catalyzes most of the heterochromatic de novo mCG, with de novo rates orders of magnitude higher than previously thought, whereas chromomethylases make smaller contributions. Our results demonstrate that stable epigenetic inheritance of mCG in plant heterochromatin is enabled by extensive de novo methylation.

Chromatin-mediated transcriptional silencing by Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2) is critical for gene regulation in development and environmental responses. However, the mechanism and timescales controlling de novo establishment of PRC2 silencing are unclear. Here, we investigate PRC2 silencing at Arabidopsis FLOWERING LOCUS C (FLC), known to involve co-transcriptional RNA processing, histone demethylation activity, and PRC2 function; but so far not mechanistically connected. We develop and then test a computational model that describes how proximal polyadenylation/termination mediated by the RNA binding protein FCA induces H3K4me1 removal by the histone demethylase FLD. H3K4me1 removal feeds back to reduce RNA Pol II processivity and thus enhance early termination, thereby repressing productive transcription. The model predicts that this transcription-coupled repression controls the level of transcriptional antagonism to Polycomb action, Thus, the effectiveness of this repression dictates the timescale for establishment of Polycomb H3K27me3 silencing. Experimental validation of these model predictions allowed us to mechanistically connect co-transcriptional processing to setting the level of productive transcription at the locus, which then determines the rate of the ON to OFF switch to PRC2 silencing.

The mechanisms and timescales controlling de novo establishment of chromatin-mediated transcriptional silencing by Polycomb repressive complex 2 (PRC2) are unclear. Here, we investigate PRC2 silencing at Arabidopsis FLOWERING LOCUS C (FLC), known to involve co-transcriptional RNA processing, histone demethylation activity, and PRC2 function, but so far not mechanistically connected. We develop and test a computational model describing proximal polyadenylation/termination mediated by the RNA-binding protein FCA that induces H3K4me1 removal by the histone demethylase FLD. H3K4me1 removal feeds back to reduce RNA polymerase II (RNA Pol II) processivity and thus enhance early termination, thereby repressing productive transcription. The model predicts that this transcription-coupled repression controls the level of transcriptional antagonism to PRC2 action. Thus, the effectiveness of this repression dictates the timescale for establishment of PRC2/H3K27me3 silencing. We experimentally validate these mechanistic model predictions, revealing that co-transcriptional processing sets the level of productive transcription at the locus, which then determines the rate of the ON-to-OFF switch to PRC2 silencing.

Abstract Quantitative gene regulation at the cell population-level can be achieved by two fundamentally different modes of regulation at individual gene copies. A “digital” mode involves binary ON/OFF expression states, with population-level variation arising from the proportion of gene copies in each state, while an “analog” mode involves graded expression levels at each gene copy. At the Arabidopsis floral repressor FLOWERING LOCUS C (FLC), “digital” Polycomb silencing is known to facilitate quantitative epigenetic memory in response to cold. However, whether FLC regulation before cold involves analog or digital modes is unknown. Using quantitative fluorescent imaging of FLC mRNA and protein, together with mathematical modelling, we find that FLC expression before cold is regulated by both analog and digital modes. We observe a temporal separation between the two modes, with analog preceding digital. The analog mode can maintain intermediate expression levels at individual FLC gene copies, before subsequent digital silencing, consistent with the copies switching OFF stochastically and heritably without cold. This switch leads to a slow reduction in FLC expression at the cell population-level. These data present a new paradigm for gradual repression, elucidating how analog transcriptional and digital epigenetic memory pathways can be integrated.

Non-coding transcription induces chromatin changes that can mediate environmental responsiveness, but the causes and consequences of these mechanisms are still unclear. Here, we investigate how antisense transcription interfaces with Polycomb Repressive Complex 2 silencing during winter-induced epigenetic regulation of Arabidopsis FLOWERING LOCUS C ( FLC ). Through genetic, chromatin, and computational analyses, we show that FLC is silenced through pathways that function with different dynamics: an antisense transcription-mediated pathway capable of fast response; and in parallel a slow Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2) switching mechanism that maintains each allele in an epigenetically silenced state. Components of both the antisense and PRC2 pathways are regulated by a common transcriptional regulator (NTL8), which accumulates slowly due to reduced growth at low temperatures. The parallel activities of the regulatory steps, which we encapsulate in a mathematical model, creates a flexible system for registering widely fluctuating natural temperature conditions that change year on year, and yet ensure robust epigenetic silencing of FLC . Significance The role of non-coding transcription in establishing and maintaining chromatin states is controversial, mainly because of extensive feedbacks complicating analysis of the relationship between co-transcriptional processing, chromatin state and transcription. This controversy has extended to the role of antisense transcription in the Polycomb-mediated epigenetic silencing of Arabidopsis FLC , a key step in the process of vernalization. Here, we show that antisense transcription and PRC2 silence FLC in parallel pathways that are affected by growth dynamics and temperature fluctuations. These features explain the varied importance of antisense transcription in cold-induced FLC epigenetic silencing seen in various studies using different environmental and growth conditions. The parallel repressive inputs and extensive feedbacks make the mechanism counter-intuitive but provide great flexibility to the plant.

Dynamic control of cell polarity is of critical importance for many aspects of cellular development and motility. In Myxococcus xanthus, a G-protein and its cognate GTPase-activating protein establish a polarity axis that defines the direction of movement of the cell and which can be rapidly inverted by the Frz chemosensory system. Although vital for collective cell behaviours, how Frz triggers this switch has remained unknown. Here, we use genetics, imaging and mathematical modelling to show that Frz controls polarity reversals via a gated relaxation oscillator. FrzX, which we newly identify as the primary Frz output, provides the gating and thus acts as the trigger for reversals. Slow relocalisation of the polarity protein RomR then creates a refractory period during which another switch cannot be triggered. A secondary Frz output, FrzZ, decreases this delay allowing rapid reversals when required. This architecture thus results in a highly tunable switch that allows a wide range of motility responses.

Meiosis is a conserved eukaryotic cell division that produces spores required for sexual reproduction. During meiosis, chromosomes pair and undergo programmed DNA double-strand breaks, followed by homologous repair that can result in reciprocal crossovers. Crossover formation is highly regulated with typically few events per homolog pair. Crossovers additionally show wider spacing than expected from uniformly random placement - defining the phenomenon of interference. In plants, the conserved HEI10 E3 ligase is initially loaded along meiotic chromosomes, before maturing into a small number of foci, corresponding to crossover locations. We review the coarsening model that explains these dynamics as a diffusion and aggregation process, resulting in approximately evenly spaced HEI10 foci. We review how underlying chromatin states, and the presence of interhomolog polymorphisms, shape the meiotic recombination landscape, in light of the coarsening model. Finally, we consider future directions to understand the control of meiotic recombination in plant genomes.