Using a single-nucleus Hi-C protocol, the authors find that spatial organization of chromatin during oocyte-to-zygote transition differs between paternal and maternal nuclei within a single-cell zygote. It has been difficult to investigate chromosome organization in early embryos with genomic techniques owing to the paucity of cellular material. Here, Kikuë Tachibana-Konwalski and colleagues have developed a single-nucleus Hi-C protocol, which they apply to investigate chromatin organization during the developmental transition from oocytes to zygotes in mice. They find that chromatin architecture is distinct in the paternal and maternal pronuclei within a single-cell zygote. Zygotic maternal nuclei contain topological domains and loops but no A–B compartments, whereas compartments can be observed in paternal nuclei. Clusters of contacts are variable between individual cells and do not always match topological domains across populations. The authors propose that the organization of zygotic maternal chromatin represents a transition state towards that of totipotent cells. Chromatin is reprogrammed after fertilization to produce a totipotent zygote with the potential to generate a new organism1. The maternal genome inherited from the oocyte and the paternal genome provided by sperm coexist as separate haploid nuclei in the zygote. How these two epigenetically distinct genomes are spatially organized is poorly understood. Existing chromosome conformation capture-based methods2,3,4,5 are not applicable to oocytes and zygotes owing to a paucity of material. To study three-dimensional chromatin organization in rare cell types, we developed a single-nucleus Hi-C (high-resolution chromosome conformation capture) protocol that provides greater than tenfold more contacts per cell than the previous method2. Here we show that chromatin architecture is uniquely reorganized during the oocyte-to-zygote transition in mice and is distinct in paternal and maternal nuclei within single-cell zygotes. Features of genomic organization including compartments, topologically associating domains (TADs) and loops are present in individual oocytes when averaged over the genome, but the presence of each feature at a locus varies between cells. At the sub-megabase level, we observed stochastic clusters of contacts that can occur across TAD boundaries but average into TADs. Notably, we found that TADs and loops, but not compartments, are present in zygotic maternal chromatin, suggesting that these are generated by different mechanisms. Our results demonstrate that the global chromatin organization of zygote nuclei is fundamentally different from that of other interphase cells. An understanding of this zygotic chromatin ‘ground state’ could potentially provide insights into reprogramming cells to a state of totipotency.

Fertilization triggers assembly of higher-order chromatin structure from a condensed maternal and a naïve paternal genome to generate a totipotent embryo. Chromatin loops and domains have been detected in mouse zygotes by single-nucleus Hi-C (snHi-C), but not bulk Hi-C. It is therefore unclear when and how embryonic chromatin conformations are assembled. Here, we investigated whether a mechanism of cohesin-dependent loop extrusion generates higher-order chromatin structures within the one-cell embryo. Using snHi-C of mouse knockout embryos, we demonstrate that the zygotic genome folds into loops and domains that critically depend on Scc1-cohesin and that are regulated in size and linear density by Wapl. Remarkably, we discovered distinct effects on maternal and paternal chromatin loop sizes, likely reflecting differences in loop extrusion dynamics and epigenetic reprogramming. Dynamic polymer models of chromosomes reproduce changes in snHi-C, suggesting a mechanism where cohesin locally compacts chromatin by active loop extrusion, whose processivity is controlled by Wapl. Our simulations and experimental data provide evidence that cohesin-dependent loop extrusion organizes mammalian genomes over multiple scales from the one-cell embryo onward.

Abstract Eukaryotic genomes are compacted into loops and topologically associating domains (TADs), which contribute to transcription, recombination and genomic stability. Cohesin extrudes DNA into loops that are thought to lengthen until CTCF boundaries are encountered. Little is known about whether loop extrusion is impeded by DNA-bound macromolecular machines. We demonstrate that the replicative helicase MCM is a barrier that restricts loop extrusion in G1 phase. Single-nucleus Hi-C of one-cell embryos revealed that MCM loading reduces CTCF-anchored loops and decreases TAD boundary insulation, suggesting loop extrusion is impeded before reaching CTCF. Single-molecule imaging shows that MCMs are physical barriers that frequently constrain cohesin translocation in vitro. Simulations are consistent with MCMs as abundant, random barriers. We conclude that distinct loop extrusion barriers contribute to shaping 3D genomes. One Sentence Summary MCM complexes are obstacles that impede the formation of CTCF-anchored loops.

Abstract Life begins with a switch in genetic control from the maternal to the embryonic genome during zygotic genome activation (ZGA) in totipotent embryos. Despite its importance, the essential regulators of ZGA remain largely unknown in mammals. Based on de novo motif searches, we identified the orphan nuclear receptor Nr5a2 as a key activator of major ZGA in mouse embryos. Nr5a2 binds to its motif within a subtype of SINE B1/Alu transposable elements found in cis -regulatory regions of ZGA genes. Chemical inhibition suggests that 72% of ZGA genes are regulated by Nr5a2 and potentially other orphan nuclear family receptors. Consistent with a role in ZGA, Nr5a2 is required for progression beyond the 2-cell stage. Nr5a2 promotes chromatin accessibility during ZGA and binds to entry/exit sites of nucleosomal DNA in vitro . We conclude that Nr5a2 is an essential pioneer factor that distinctly regulates totipotency and pluripotency during mammalian development. One-Sentence Summary Nr5a2 is an essential pioneer transcription factor that activates expression of zygotic genes in mouse embryos.

Fertilization triggers assembly of higher-order chromatin structure from a naive genome to generate a totipotent embryo. Chromatin loops and domains are detected in mouse zygotes by single-nucleus Hi-C (snHi-C) but not bulk Hi-C. We resolve this discrepancy by investigating whether a mechanism of cohesin-dependent loop extrusion generates zygotic chromatin conformations. Using snHi-C of mouse knockout embryos, we demonstrate that the zygotic genome folds into loops and domains that depend on Scc1-cohesin and are regulated in size by Wapl. Remarkably, we discovered distinct effects on maternal and paternal chromatin loop sizes, likely reflecting loop extrusion dynamics and epigenetic reprogramming. Polymer simulations based on snHi-C are consistent with a model where cohesin locally compacts chromatin and thus restricts inter-chromosomal interactions by active loop extrusion, whose processivity is controlled by Wapl. Our simulations and experimental data provide evidence that cohesin-dependent loop extrusion organizes mammalian genomes over multiple scales from the one-cell embryo onwards.