Abstract The eukaryotic genome is tightly packed inside the nucleus, where it is organized in 3D at different scales. This structure is driven and maintained by different chromatin states and by architectural factors that bind DNA, such as the multi-zinc finger protein CTCF. Zygotic genome structure is established de novo after fertilization, but the impact of such structure on genome function during the first stages of mammalian development is still unclear. Here, we show that deletion of the Ctcf gene in mouse embryos impairs the correct establishment of chromatin structure, but initial lineage decisions take place and embryos are viable until the late blastocyst stage. Furthermore, we observe that maternal CTCF is not necessary for development. Transcriptomic analyses of mutant embryos show that the changes in metabolic and protein homeostasis programs that occur during the progression from the morula to the blastocyst depend on CTCF. Yet, these changes in gene expression do not correlate with disruption of chromatin structure, but mainly with proximal binding of CTCF to the promoter region of genes downregulated in mutants. Our results show that CTCF regulates both 3D genome organization and transcription during mouse preimplantation development, but mostly as independent processes.

Abstract Cohesin organizes the genome through the formation of chromatin loops. NIPBL activates cohesin’s ATPase and is essential for loop extrusion, but its requirement for cohesin loading is currently unclear. Here we have examined the effect of reducing NIPBL levels on the behavior of the two cohesin variants carrying STAG1 or STAG2 by combining a flow cytometry assay to measure chromatin-bound cohesin with analyses of its genome-wide distribution and genome contacts. We show that NIPBL depletion results in increased cohesin-STAG1 on chromatin that further accumulates at CTCF positions while cohesin-STAG2 diminishes genome-wide. Our data support a model in which NIPBL is not required for initial association of cohesin with chromatin but it is for loop extrusion, which in turn facilitates stabilization of cohesin-STAG2 at CTCF positions after being loaded elsewhere. In contrast, cohesin-STAG1 is loaded and stabilized at CTCF sites even under low NIPBL levels, but genome folding is severely impaired.

The distinct functions of cohesin complexes carrying STAG1 or STAG2 need to be unraveled. STAG2 is commonly mutated in cancer and germline mutations have been identified in cohesinopathy patients. To better understand the underlying pathogenic mechanisms, we here report the consequence of Stag2 ablation in mice. STAG2 is largely dispensable in adults and its tissue-wide inactivation does not lead to tumors but reduces fitness and affects both hematopoiesis and intestinal homeostasis. STAG2 is also dispensable for murine embryonic fibroblasts in vitro. In contrast, null embryos die by mid gestation showing global developmental delay and heart defects. Histopathological analysis and RNA-sequencing unveiled that STAG2 is required both for proliferation and regulation of cardiac transcriptional programs and in its absence, secondary heart field progenitors fail to enter the heart tube. These results provide compelling evidence on cell- and tissue-specific roles of the two cohesin complexes and how their dysfunction contributes to disease.

Abstract Commonly expressed at developmental transitions, microRNAs operate as fine tuners of gene expression to facilitate cell fate acquisition and lineage segregation. Nevertheless, how they might regulate the earliest developmental transitions in early mammalian embryogenesis remains obscure. Here, in a strictly in vivo approach based on novel genetically-engineered mouse models and single-cell RNA sequencing, we identify miR-203 as a critical regulator of timing and cell fate restriction within the totipotency to pluripotency transition in mouse embryos. Genetically engineered mouse models show that loss of miR-203 slows down developmental timing during preimplantation leading to the accumulation of embryos with high expression of totipotency-associated markers, including MERVL endogenous retroviral elements. A new embryonic reporter (eE-Reporter) transgenic mouse carrying MERVL-Tomato and Sox2-GFP transgenes showed that lack of miR-203 leads to sustained expression of MERVL and reduced Sox2 expression in preimplantation developmental stages. A combination of single-cell transcriptional studies and epigenetic analyses identified the central coactivator and histone acetyltransferase P300 as a major miR-203 target at the totipotency to pluripotency transition in vivo. By fine tuning P300 levels, miR-203 carves the epigenetic rewiring process needed for this developmental transition, allowing a timely and correctly paced development.

Abstract The analysis of DNA sequence outcomes provides molecular insights into double-strand break (DSB) repair mechanisms. By employing parallel in-pool profiling of Cas9-induced indels within a genome-wide knockout library, we present a comprehensive catalog detailing how virtually every human gene influences the DSB repair process. This REPAIRome resource is validated through the identification of novel mechanisms, pathways and factors involved in DSB repair, including unexpected opposing roles for XLF and PAXX in DNA end processing, a molecular explanation for Cas9-induced multi-nucleotide insertions, the identification of HLTF as a DSB-repair factor, the involvement of the SAGA complex in microhomology-mediated end joining, and importantly, an indel mutational signature linked to VHL loss, renal carcinoma and hypoxia. Collectively, these results exemplify the potential of REPAIRome to drive future discoveries in DSB repair, CRISPR-Cas gene editing and the etiology of cancer mutational signatures.