During X chromosome inactivation (XCI), the Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2) is thought to participate in the early maintenance of the inactive state. Although Xist RNA is essential for the recruitment of PRC2 to the X chromosome, the precise mechanism remains unclear. Here, we demonstrate that the PRC2 cofactor Jarid2 is an important mediator of Xist-induced PRC2 targeting. The region containing the conserved B and F repeats of Xist is critical for Jarid2 recruitment via its unique N-terminal domain. Xist-induced Jarid2 recruitment occurs chromosome-wide independently of a functional PRC2 complex, unlike at other parts of the genome, such as CG-rich regions, where Jarid2 and PRC2 binding are interdependent. Conversely, we show that Jarid2 loss prevents efficient PRC2 and H3K27me3 enrichment to Xist-coated chromatin. Jarid2 thus represents an important intermediate between PRC2 and Xist RNA for the initial targeting of the PRC2 complex to the X chromosome during onset of XCI.

Abstract Xist RNA has been established as the master regulator of X-chromosome inactivation (XCI) in female eutherian mammals but its mechanism of action remains unclear. By creating novel Xist mutants at the endogenous locus in mouse embryonic stem (ES) cells, we dissect the role of the conserved A-B-C-F repeats. We find that transcriptional silencing can be largely uncoupled from Polycomb repressive complex 1 and 2 (PRC1/2) recruitment, which requires repeats B and C. Xist ΔB+C RNA specifically loses interaction with PCGF3/5 subunits of PRC1, while binding of other Xist partners is largely unaffected. However, a slight relaxation of transcriptional silencing in Xist ΔB+C indicates a role for PRC1/2 proteins in early stabilization of gene repression. Distinct modules within the Xist RNA are therefore involved in the convergence of independent chromatin modification and gene repression pathways. In this context, Polycomb recruitment seems to be of moderate relevance in the initiation of silencing.

Abstract The interplay between the topological organization of the genome and the regulation of gene expression remains unclear. Depletion of molecular factors underlying genome topology, such as CTCF and cohesin, leads to modest alterations in gene expression, while genomic rearrangements involving boundaries of topologically associating domains (TADs) disrupt normal gene expression and can lead to pathological phenotypes. Here we inverted an almost entire TAD (245kb out of 300kb) within the X-inactivation centre ( Xic ), leaving its boundaries intact. This led to a significant rearrangement of topological contacts within the TAD, mostly in accordance to the orientation of underlying CTCF binding sites but suggesting heterogeneity in the “contact” potential of different CTCF sites. The inversion also led to increased contact insulation with the neighbouring TAD. Expression of most genes within the inverted TAD remained unaffected in mouse embryonic stem cells and during differentiation. Interestingly, expression in the neighbouring TAD of the noncoding transcript Xist , which controls X-chromosome inactivation, was ectopically upregulated. The same inversion in mouse embryos led to a bias in Xist expression, but X-inactivation choice ratios did not significantly deviate from wild type. Smaller deletions and inversions of specific clusters of CTCF sites within the TAD led to similar results: rearrangement of contacts, limited changes in local gene expression but significant changes in Xist expression. Our study suggests that the wiring of regulatory interactions within a TAD can influence the expression of genes in neighbouring TADs, highlighting the existence of mechanisms for inter-TAD communication.

ABSTRACT In placental females, one copy of the two X chromosomes is largely silenced during a narrow developmental time window, in a process mediated by the non-coding RNA Xist 1 . Here, we demonstrate that Xist can initiate X-chromosome inactivation (XCI) well beyond early embryogenesis. By modifying its endogenous level, we show that Xist has the capacity to actively silence genes that escape XCI both in neuronal progenitor cells (NPCs) and in vivo , in mouse embryos. We also show that Xist plays a direct role in eliminating TAD-like structures associated with clusters of escapee genes on the inactive X chromosome, and that this is dependent on Xist’s XCI initiation partner, SPEN 2 . We further demonstrate that Xist’s function in suppressing gene expression of escapees and topological domain formation is reversible for up to seven days post-induction, but that sustained Xist up-regulation leads to progressively irreversible silencing and CpG island DNA methylation of facultative escapees. Thus, the distinctive transcriptional and regulatory topologies of the silenced X chromosome is actively, directly - and reversibly - controlled by Xist RNA throughout life.

X-chromosome inactivation (XCI) is established in two waves during mouse development. First, silencing of the paternal X chromosome (Xp) is triggered, with transcriptional repression of most genes and enrichment of epigenetic marks such as H3K27me3 being achieved in all cells by the early blastocyst stage. XCI is then reversed in the inner cell mass (ICM), followed by a second wave of maternal or paternal XCI, in the embryo-proper. Although the role of Xist RNA in triggering XCI is now clear, the mechanisms underlying Xp reactivation in the inner cell mass have remained enigmatic. Here we use in vivo single cell approaches (allele-specific RNAseq, nascent RNA FISH and immunofluorescence) and find that different genes show very different timing of reactivation. We observe that the genes reactivate at different stages and that initial enrichment in H3K27me3 anti-correlates with the speed of reactivation. To define whether this repressive histone mark is lost actively or passively, we investigate embryos mutant for the X-encoded H3K27me3 demethylase, UTX. Xp genes that normally reactivate slowly are retarded in their reactivation in Utx mutants, while those that reactive rapidly are unaffected. Therefore, efficient reprogramming of some X-linked genes in the inner cell mass is very rapid, indicating minimal epigenetic memory and potentially driven by transcription factors, whereas others may require active erasure of chromatin marks such as H3K27me3.

To initiate X-chromosome inactivation (XCI), the long non-coding RNA Xist mediates chromosome-wide gene silencing of one X chromosome in female mammals to equalize gene dosage between the sexes. The efficiency of gene silencing, however is highly variable across genes, with some genes even escaping XCI in somatic cells. A genes susceptibility to Xist-mediated silencing appears to be determined by a complex interplay of epigenetic and genomic features; however, the underlying rules remain poorly understood. We have quantified chromosome-wide gene silencing kinetics at the level of the nascent transcriptome using allele-specific Precision nuclear Run-On sequencing (PRO-seq). We have developed a Random Forest machine learning model that can predict the measured silencing dynamics based on a large set of epigenetic and genomic features and tested its predictive power experimentally. While the genomic distance to the Xist locus is the prime determinant of the speed of gene silencing, we find that also pre-marking of gene promoters with polycomb complexes is associated with fast silencing. Moreover, a series of features associated with active transcription and the O-GlcNAc transferase Ogt are enriched at rapidly silenced genes. Our machine learning approach can thus uncover the complex combinatorial rules underlying gene silencing during X inactivation.