Abstract The mammalian genome is spatially organized in the nucleus to enable cell type-specific gene expression. Investigating how chromatin organization determines this specificity remains a challenge. Methods for measuring the 3D chromatin organization, such as Hi-C, are costly and bear strong technical limitations, restricting their broad application particularly in high-throughput genetic perturbations. In this study, we present C.Origami, a deep neural network model that performs de novo prediction of cell type-specific chromatin organization. The C.Origami model enables in silico experiments to examine the impact of genetic perturbations on chromatin interactions in cancer genomes and beyond. In addition, we propose an in silico genetic screening framework that enables high-throughput identification of impactful genomic regions on 3D chromatin organization. We demonstrate that cell type-specific in silico genetic perturbation and screening, enabled by C.Origami, can be used to systematically discover novel chromatin regulatory mechanisms in both normal and disease-related biological systems.

Abstract CTCF and cohesin play a key role in organizing chromatin into TAD structures. Disruption of a single CTCF binding site is sufficient to change chromosomal interactions leading to alterations in chromatin modifications and gene regulation. However, the extent to which alterations in chromatin modifications can disrupt 3D chromosome organization leading to transcriptional changes is unknown. In multiple myeloma a 4;14 translocation induces overexpression of the histone methyltransferase, NSD2 resulting in expansion of H3K36me2 and shrinkage of antagonistic H3K27me3 domains. Using isogenic cell lines producing high and low levels of NSD2, we find oncogene activation is linked to alterations in H3K27ac and CTCF within H3K36me2 enriched chromatin. A linear regression model reveals that changes in both CTCF and/or H3K27ac significantly increase the probability that a gene sharing the same insulated domain will be differentially expressed. These results identify a bidirectional relationship between 2D chromatin and 3D genome organization in gene regulation.

Background Ubiquitously expressed CTCF is involved in numerous cellular functions, such as organizing chromatin into TAD structures. In contrast, its paralog, CTCFL is normally only present in testis. However, it is also aberrantly expressed in many cancers. While it is known that shared and unique zinc finger sequences in CTCF and CTCFL enable CTCFL to bind competitively to a subset of CTCF binding sites as well as its own unique locations, the impact of CTCFL on chromosome organization and gene expression has not been comprehensively analyzed in the context of CTCF function. Using an inducible complementation system, we analyze the impact of expressing CTCFL and CTCF-CTCFL chimeric proteins in the presence or absence of endogenous CTCF to clarify the relative and combined contribution of CTCF and CTCFL to chromosome organization and transcription. Results We demonstrate that the N terminus of CTCF interacts with cohesin which explains the requirement for convergent CTCF binding sites in loop formation. By analyzing CTCF and CTCFL binding in tandem we identify phenotypically distinct sites with respect to motifs, targeting to promoter/intronic intergenic regions and chromatin folding. Finally, we reveal that the N, C and zinc finger terminal domains play unique roles in targeting each paralog to distinct binding sites, to regulate transcription, chromatin looping and insulation. Conclusion This study clarifies the unique and combined contribution of CTCF and CTCFL to chromosome organization and transcription, with direct implications for understanding how their co-expression deregulates transcription in cancer.

The function of the CCCTC-binding factor (CTCF) in the organization of the genome has become an important area of investigation, but the mechanisms of how CTCF dynamically contributes to genome organization is not clear. We previously discovered that CTCF binds to large numbers of endogenous RNAs; promoting its oligomerization. Here we found that inhibition of transcription or interfering with CTCF ability to bind RNA through mutations of two of its 11 zinc fingers that are not involved with CTCF binding to its cognate site in vitro, zinc finger-1 (ZF1) or -10 (ZF10), disrupt CTCF association to chromatin. These mutations alter gene expression profiles as CTCF mutants lose their ability to promote local insulation. Our results highlight the importance of RNA as a structural component of the genome, in part by affecting the association of CTCF with chromatin and likely its interaction with other factors.

ABSTRACT Mammalian embryogenesis commences with two pivotal and binary cell fate decisions that give rise to three essential lineages, the trophectoderm (TE), the epiblast (EPI) and the primitive endoderm (PrE). Although key signaling pathways and transcription factors that control these early embryonic decisions have been identified, the non-coding regulatory elements via which transcriptional regulators enact these fates remain understudied. To address this gap, we have characterized, at a genome-wide scale, enhancer activity and 3D connectivity in embryo-derived stem cell lines that represent each of the early developmental fates. We observed extensive enhancer remodeling and fine-scale 3D chromatin rewiring among the three lineages, which strongly associate with transcriptional changes, although there are distinct groups of genes that are irresponsive to topological changes. In each lineage, a high degree of connectivity or “hubness” positively correlates with levels of gene expression and enriches for cell-type specific and essential genes. Genes within 3D hubs also show a significantly stronger probability of coregulation across lineages, compared to genes in linear proximity or within the same contact domains. By incorporating 3D chromatin features, we build a novel predictive model for transcriptional regulation (3D-HiChAT), which outperformed models that use only 1D promoter or proximal variables in predicting levels and cell-type specificity of gene expression. Using 3D-HiChAT, we performed genome-wide in silico perturbations to nominate candidate functional enhancers and hubs in each cell lineage, and with CRISPRi experiments we validated several novel enhancers that control expression of one or more genes in their respective lineages. Our study comprehensively identifies 3D regulatory hubs associated with the earliest mammalian lineages and describes their relationship to gene expression and cell identity, providing a framework to understand lineage-specific transcriptional behaviors. HIGHLIGHTS - Cell lines representing early embryonic lineages undergo drastic enhancer remodeling and fine-scale 3D chromatin reorganization - Highly interacting 3D hubs strongly enrich for highly expressed, cell-type specific and essential genes - 3D chromatin features greatly improve prediction of cell-type specific gene expression compared to 1D promoter features - In silico and experimental perturbations identify novel enhancers regulating the expression of two or more genes in early embryonic lineages