SUMMARY Despite extensive mapping of three-dimensional (3D) chromatin structures, the basic principles underlying genome folding remain unknown. Here, we report a fundamental role for L1 and B1 retrotransposons in shaping the macroscopic 3D genome structure. Homotypic clustering of B1 and L1 repeats in the nuclear interior or at the nuclear and nucleolar peripheries, respectively, segregates the genome into mutually exclusive nuclear compartments. This spatial segregation of L1 and B1 is conserved in mouse and human cells, and occurs dynamically during establishment of the 3D chromatin structure in early embryogenesis and the cell cycle. Depletion of L1 transcripts drastically disrupts the spatial distributions of L1- and B1-rich compartments. L1 transcripts are strongly associated with L1 DNA sequences and induce phase separation of the heterochromatin protein HP1α. Our results suggest that genomic repeats act as the blueprint of chromatin macrostructure, thus explaining the conserved higher-order structure of chromatin across mammalian cells.

Thousands of noncoding transcripts exist in mammalian genomes, and they preferentially localize to chromatin. Here, to identify cis-regulatory elements that control RNA-chromatin association, we developed a high-throughput method named RNA element for subcellular localization by sequencing (REL-seq). Coupling REL-seq with random mutagenesis (mutREL-seq), we discovered a key 7-nt U1 recognition motif in chromatin-enriched RNA elements. Reporter assays indicated a direct role for U1 snRNP recognition in regulating RNA-chromatin localization. Globally, U1 motifs and U1 binding are strongly enriched in long noncoding RNA (lncRNA) transcripts. Inhibition of U1 snRNA, and of U2 to a lesser degree, led to global reduction in chromatin association of hundreds of lncRNAs. For promoter- and enhancer-associated noncoding RNAs, U1 binds to their genomic neighborhoods, and their chromatin association depends on both U1 and U2 snRNAs. These findings reveal that U1 snRNP, perhaps together with the splicing machinery, acts widely to promote the chromatin association of noncoding transcripts.

SUMMARY TET1 maintains hypomethylation at bivalent promoters through its catalytic activity in embryonic stem cells (ESCs). However, whether and how TET1 exerts catalytic activity-independent functions in regulating bivalent genes is not well understood. Using a proteomics approach, we mapped the TET1 interactome in mouse ESCs and identified PSPC1 as a novel TET1 partner. Genome-wide location analysis reveals that PSPC1 functionally associates with TET1 and Polycomb repressive complex-2 (PRC2) complex. We establish that PSPC1 and TET1 repress, and Neat1 , the PSPC1 cognate lncRNA, activates the bivalent gene expression. In ESCs, Neat1 tethers the TET1-PSPC1 pair with PRC2 at bivalent promoters. During the ESC-to-formative epiblast-like stem cell (EpiLC) transition, PSPC1 and TET1 promote PRC2 chromatin occupancy at bivalent gene promoters while restricting Neat1 functions in facilitating PRC2 binding to bivalent gene transcripts. Our study uncovers a novel TET1-PSPC1- Neat1 molecular axis that modulates PRC2 binding affinity to chromatin and bivalent gene transcripts in controlling stem cell bivalency. In Brief TET1 is a transcriptional repressor for bivalent genes in pluripotent stem cells, but its mechanistic action on stem cell bivalency is unclear. Huang et al. use proteomics and genetic approaches to reveal that catalytic activity-independent functions of TET1, coordinated with the paraspeckle components PSPC1 and its cognate lncRNA Neat1 , dynamically regulates stem cell bivalency by modulating PRC2 binding affinity to chromatin and bivalent gene transcripts in pluripotent state transition. Highlights The TET1 interactome identifies PSPC1 as a novel partner in ESCs TET1 and PSPC1 repress bivalent genes by promoting PRC2 chromatin occupancy Neat1 facilitates bivalent gene activation by promoting PRC2 binding to their mRNAs Neat1 bridges the TET1-PSPC1 and PRC2 complexes in regulating bivalent gene transcription