Abstract Expression of one out of >1000 olfactory receptor (OR) genes is stochastic but, yet, spatially organized in stereotypic anatomical segments, or “zones”, along the dorsoventral axis of the mouse olfactory epithelium. We discovered that zonal OR expression is specified by OR chromatin structure and genome architecture during olfactory neuron differentiation. Specifically, across every zone dorsally expressed ORs have higher levels of heterochromatic marks and long-range contacts than ORs expressed ventrally. However, OR heterochromatin levels and frequency of genomic contacts between ORs gradually increase towards ventral zones. Consequently, ORs from dorsal indexes accumulate high H3K9me3/H3K79me3 enrichment and become silenced in ventral zones, while ORs from ventral indexes lack activating long-range genomic interactions and, thus, cannot be chosen in dorsal segments. This process is regulated by NFIA, B, and X gradients along the dorsoventral axis, triple deletion of which causes homeotic transformations on zonal OR expression, heterochromatin formation, and genomic compartmentalization.

The monogenic and monoallelic expression of only one out of >1000 olfactory receptor (ORs) genes requires the formation of large heterochromatic chromatin domains that sequester the OR gene clusters. Within these domains, intergenic transcriptional enhancers evade heterochromatic silencing and converge into interchromosomal hubs that assemble over the transcriptionally active OR. The significance of this nuclear organization in OR choice remains elusive. Here, we show that transcription factors Lhx2 and Ebf specify OR enhancers by binding in a functionally cooperative fashion to stereotypically spaced motifs that defy heterochromatin. Specific displacement of Lhx2 and Ebf from OR enhancers resulted in pervasive, long-range, and trans downregulation of OR transcription, whereas pre-assembly of a multi-enhancer hub increased the frequency of OR choice in cis. Our data provide genetic support for the requirement and sufficiency of interchromosomal interactions in singular OR choice and generate general regulatory principles for stochastic, mutually exclusive gene expression programs.

Olfactory receptor (OR) choice represents an example of genetically hardwired stochasticity, where every olfactory neuron expresses one out of ~2000 OR alleles in a probabilistic, yet stereotypic fashion. Here, we show that topographic restrictions in OR expression are established in neuronal progenitors by two opposing forces: polygenic transcription and genomic silencing, both of which are influenced by dorsoventral gradients of transcription factors NFIA, B, and X. Polygenic transcription defines spatially constrained OR repertoires, among which one OR allele may be selected for singular expression later in development. Heterochromatin assembly and genomic compartmentalization preferentially eliminate from this “privileged” repertoire ORs with more dorsal expression destinations, which are ectopically transcribed in neuronal progenitors throughout the olfactory epithelium. Our experiments identify early transcription as an “epigenetic” contributor to future developmental patterning and reveal how two spatially responsive probabilistic processes act in concert to establish deterministic, precise, and reproducible territories of stochastic gene expression.