Abstract Polycomb silencing at Arabidopsis FLOWERING LOCUS C ( FLC ) requires the accessory proteins VIN3 and VRN5. These interact via head-to-tail polymerization domains and are proposed to recruit and maintain Polycomb Repressive Complex 2 at the FLC nucleation region. Here, we show that VIN3 VEL polymerization is necessary in vivo for higher order nuclear VIN3 assemblies, strong chromatin association and efficient H3K27me3 nucleation. However, these are not dependent on the VRN5 VEL domain, despite its role in physically connecting VIN3 with the PRC2 complex. Because the VEL domain of VRN5 is also unable to functionally replace VIN3 VEL in vivo , this work defines a distinct role for VIN3 polymerization in the establishment of a chromatin environment promoting nucleation and the switch to an epigenetically silenced state.

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.

Progression of RNA polymerase II (RNAPII) transcription relies on the appropriately positioned activities of elongation factors. The resulting profile of factors and chromatin signatures along transcription units provides a positional information system for transcribing RNAPII. Here, we investigate a chromatin-based mechanism that suppresses intragenic initiation of RNAPII transcription. We demonstrate that RNAPII transcription across gene promoters represses their function in plants. This repression is characterized by reduced promoter-specific molecular signatures and increased molecular signatures associated with RNAPII elongation. The FACT histone chaperone complex is required for this repression mechanism. Genome-wide mapping of Transcription Start Sites (TSSs) reveals thousands of discrete intragenic TSS positions in FACT mutants. Histone 3 lysine 4 mono-methylation poises exonic sites to initiate RNAPII transcription in FACT mutants. Uncovering the mechanism for intragenic TSS repression through the act of RNAPII elongation has important implications for understanding pervasive RNAPII transcription and the regulation of transcript isoform diversity.

Abstract Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2) mediates epigenetic silencing of target genes in animals and plants. In Arabidopsis, PRC2 is required for the cold-induced epigenetic silencing of the FLC floral repressor locus to align flowering with spring. During this process, PRC2 relies on VEL accessory factors, including the constitutively expressed VRN5 and the cold-induced VIN3. The VEL proteins are physically associated with PRC2, but their individual functions remain unclear. Here, we show an intimate association between recombinant VRN5 and multiple components within a reconstituted PRC2, dependent on a compact conformation of VRN5 central domains. Key residues mediating this compact conformation are conserved amongst VRN5 orthologs across the plant kingdom. By contrast, VIN3 interacts with VAL1, a transcriptional repressor that binds directly to FLC . These associations differentially affect their role in H3K27me deposition: both proteins are required for H3K27me3, but only VRN5 is necessary for H3K27me2. Although originally defined as vernalization regulators, VIN3 and VRN5 co-associate with many targets in the Arabidopsis genome that are modified with H3K27me3. Our work, therefore, reveals the distinct accessory roles for VEL proteins in conferring cold-induced silencing on FLC , with broad relevance for PRC2 targets generally.