Abstract Genome-wide transcriptional activity involves the binding of many transcription factors to thousands of sites in the genome. Determining which sites are directly driving transcription remains a challenge. Here we use acute protein depletion of the pioneer transcription factors OCT4 and SOX2 to establish their functionality in maintaining chromatin accessibility. We show that thousands of accessible sites are lost within an hour of protein depletion, indicating rapid turnover of these sites in the absence of pioneer factors. To understand the relationship with transcription we performed nascent transcription analysis and found that open chromatin sites that are maintained by SOX2 are highly predictive of gene expression, in contrast to SOX2 binding sites that do not maintain accessibility. We use CRISPR-Cas9 genome editing in the Klf2 locus to functionally validate a predicted regulatory element. We conclude that the regulatory activity of SOX2 is exerted largely at sites where it maintains accessibility and that other binding sites are largely dispensable for gene regulation.

Summary Gene expression is orchestrated by transcription factors, which function within the context of a three-dimensional genome. Zinc finger protein 143 (ZNF143/ZFP143) is a transcription factor that has been implicated in both gene activation and chromatin looping. To study the direct consequences of ZNF143/ZFP143 loss, we generated a ZNF143/ZFP143 degron line. Our results show that ZNF143/ZFP143 depletion has no effect on chromatin looping. Systematic analysis of ZNF143/ZFP143 occupancy data revealed that a commonly used antibody cross-reacts with CTCF, leading to its incorrect association with chromatin loops. Nevertheless, ZNF143/ZFP143 specifically activates nuclear-encoded mitochondrial genes and its loss leads to severe mitochondrial dysfunction. Using an in vitro embryo model, we find that ZNF143/ZFP143 is an essential regulator of organismal development. Our results establish ZNF143/ZFP143 as a conserved transcriptional regulator of cell proliferation and differentiation by safeguarding mitochondrial activity. Highlights Acute degradation of ZFP143 leads to rapid and specific loss of gene transcription. Molecular consequences of ZFP143 loss are inconsistent with a role in chromatin looping. ZFP143 is a conserved transcriptional regulator of nuclear-encoded mitochondrial proteins. ZFP143 regulation of mitochondrial homeostasis is critical for multicellular organismal development. Graphical Abstract

The cohesin complex plays essential roles in sister chromatin cohesin, chromosome organization and gene expression. The role of cohesin in gene regulation is incompletely understood. Here, we report that the cohesin release factor WAPL is crucial for maintaining a pool of dynamic cohesin bound to regions that are associated with lineage specific genes in mouse embryonic stem cells. These regulatory regions are enriched for active enhancer marks and transcription factor binding sites, but largely devoid of CTCF binding sites. Stabilization of cohesin, which leads to a loss of dynamic cohesin from these regions, does not affect transcription factor binding or active enhancer marks, but does result in changes in promoter-enhancer interactions and downregulation of genes. Acute cohesin depletion can phenocopy the effect of WAPL depletion, showing that cohesin plays a crucial role in maintaining expression of lineage specific genes. The binding of dynamic cohesin to chromatin is dependent on the pluripotency transcription factor OCT4, but not NANOG. Finally, dynamic cohesin binding sites are also found in differentiated cells, suggesting that they represent a general regulatory principle. We propose that cohesin dynamically binding to regulatory sites creates a favorable spatial environment in which promoters and enhancers can communicate to ensure proper gene expression.