DNA replication in mammals is regulated via the coordinate firing of clusters of replicons that duplicate megabase-sized chromosome segments at specific times during S-phase. Cytogenetic studies show that these “replicon clusters” coalesce as subchromosomal units that persist through multiple cell generations, but the molecular boundaries of such units have remained elusive. Moreover, the extent to which changes in replication timing occur during differentiation and their relationship to transcription changes has not been rigorously investigated. We have constructed high-resolution replication-timing profiles in mouse embryonic stem cells (mESCs) before and after differentiation to neural precursor cells. We demonstrate that chromosomes can be segmented into multimegabase domains of coordinate replication, which we call “replication domains,” separated by transition regions whose replication kinetics are consistent with large originless segments. The molecular boundaries of replication domains are remarkably well conserved between distantly related ESC lines and induced pluripotent stem cells. Unexpectedly, ESC differentiation was accompanied by the consolidation of smaller differentially replicating domains into larger coordinately replicated units whose replication time was more aligned to isochore GC content and the density of LINE-1 transposable elements, but not gene density. Replication-timing changes were coordinated with transcription changes for weak promoters more than strong promoters, and were accompanied by rearrangements in subnuclear position. We conclude that replication profiles are cell-type specific, and changes in these profiles reveal chromosome segments that undergo large changes in organization during differentiation. Moreover, smaller replication domains and a higher density of timing transition regions that interrupt isochore replication timing define a novel characteristic of the pluripotent state.

ABSTRACT Microbes have evolved intricate communication systems that enable individual cells of a population to send and receive signals in response to changes in their immediate environment. In the fission yeast Schizosaccharomyces pombe , the oxylipin Nitrogen Signaling Factor (NSF) is part of such communication system, which functions to regulate the usage of different nitrogen sources. Yet, the pathways and mechanisms by which NSF acts are poorly understood. Here, we show that NSF physically interacts with the mitochondrial sulfide:quinone oxidoreductase Hmt2 and that it prompts a change from a fermentation- to a respiration-like gene expression program independently of the carbon source. Our results suggest that NSF activity is not restricted to nitrogen metabolism alone and that it could function as a rheostat to prepare a population of S. pombe cells for an imminent shortage of their preferred nutrients.

Retrotransposon control in mammals is an intricate process that is effectuated by a broad network of chromatin regulatory pathways. We previously discovered ChAHP, a protein complex with repressive activity against short interspersed element (SINE) retrotransposons that is composed of the transcription factor ADNP, chromatin remodeler CHD4, and HP1 proteins. Here we identify ChAHP2, a protein complex homologous to ChAHP, in which ADNP is replaced by ADNP2. ChAHP2 is predominantly targeted to endogenous retroviruses (ERVs) and long interspersed elements (LINEs) via HP1β-mediated binding of H3K9 trimethylated histones. We further demonstrate that ChAHP also binds these elements in a manner mechanistically equivalent to that of ChAHP2 and distinct from DNA sequence-specific recruitment at SINEs. Genetic ablation of ADNP2 alleviates ERV and LINE1 repression, which is synthetically exacerbated by additional depletion of ADNP. Together, our results reveal that the ChAHP and ChAHP2 complexes function to control both nonautonomous and autonomous retrotransposons by complementary activities, further adding to the complexity of mammalian transposon control.

ABSTRACT Retrotransposon control in mammals is an intricate process that is effectuated by a broad network of chromatin regulatory pathways. We previously discovered ChAHP, a protein complex with repressive activity against SINE retrotransposons, composed of the transcription factor ADNP, chromatin remodeler CHD4, and HP1 proteins. Here we identify ChAHP2, a protein complex homologous to ChAHP, wherein ADNP is replaced by ADNP2. ChAHP2 is predominantly targeted to ERVs and LINEs, via HP1β-mediated binding of H3K9 trimethylated histones. We further demonstrate that ChAHP also binds these elements in a mechanistically equivalent manner to ChAHP2, and distinct from DNA sequence-specific recruitment at SINEs. Genetic ablation of ADNP2 alleviates ERV and LINE1 repression, which is synthetically exacerbated by additional depletion of ADNP. Together, our results reveal that the ChAHP and ChAHP2 complexes function to control both non-autonomous and autonomous retrotransposons by complementary activities, further adding to the complexity of mammalian transposon control.

SUMMARY Transcription factors (TFs) are key regulators of gene expression, yet many of their targets and modes of action remain unknown. In Schizosaccharomyces pombe , one-third of TFs are solely homology-predicted, with few experimentally validated. We created a comprehensive library of 89 endogenously tagged S. pombe TFs, mapping their protein and chromatin interactions using immunoprecipitation-mass spectrometry and chromatin immunoprecipitation sequencing. Our study identified protein interactors for half the TFs, with over a quarter potentially forming stable complexes. We discovered DNA binding sites for most TFs across 2,027 unique genomic regions, revealing motifs for 38 TFs and uncovering a complex regulatory network of extensive TF cross- and autoregulation. Characterization of the largest TF family revealed conserved DNA sequence preferences but diverse binding patterns, and identified a repressive heterodimer, Ntu1/Ntu2, linked to perinuclear gene localization. Our TFexplorer webtool makes all data interactively accessible, offering new insights into TF interactions and regulatory mechanisms with broad biological relevance. HIGHLIGHTS Comprehensive strain library of endogenously tagged S. pombe TFs Experimentally determined atlas of TF interactions with proteins and chromatin TFexplorer web application for interactive exploration of TF interactomes Identification of repressive Nattou complex linked to perinuclear gene localization

ABSTRACT Removal of introns during pre-mRNA splicing, which is central to gene expression, initiates by base pairing of U1 snRNA with a 5’ splice site (5’SS). In mammals, many introns contain weak 5’SSs that are not efficiently recognized by the canonical U1 snRNP, suggesting alternative mechanisms exist. Here, we develop a cross-linking immunoprecipitation coupled to a high-throughput sequencing method, BCLIP-seq, to identify NRDE2 (Nuclear RNAi defective-2) and CCDC174 (Coiled-Coil Domain-Containing 174) as novel RNA-binding proteins in mouse ES cells that associate with U1 snRNA and unspliced 5’SSs. Both proteins bind directly to U1 snRNA independently of canonical U1 snRNP specific proteins, and they are required for the selection and effective processing of weak 5’SSs. Our results reveal that mammalian cells use non-canonical splicing factors bound directly to U1 snRNA to effectively select suboptimal 5’SS sequences in hundreds of genes, promoting proper splice site choice and accurate pre-mRNA splicing.