A number of large noncoding RNAs (ncRNAs) epigenetically silence genes through unknown mechanisms. The Air ncRNA is imprinted—monoallelically expressed from the paternal allele. Air is required for allele-specific silencing of the cis-linked Slc22a3, Slc22a2 , and Igf2r genes in mouse placenta. We show that Air interacts with the Slc22a3 promoter chromatin and the H3K9 histone methyltransferase G9a in placenta. Air accumulates at the Slc22a3 promoter in correlation with localized H3K9 methylation and transcriptional repression. Genetic ablation of G9a results in nonimprinted, biallelic transcription of Slc22a3 . Truncated Air fails to accumulate at the Slc22a3 promoter, which results in reduced G9a recruitment and biallelic transcription. Our results suggest that Air , and potentially other large ncRNAs, target repressive histone-modifying activities through molecular interaction with specific chromatin domains to epigenetically silence transcription.

Culture of preimplantation mammalian embryos and cells can influence their subsequent growth and differentiation. Previously, we reported that culture of mouse embryonic stem cells is associated with deregulation of genomic imprinting and affects the potential for these cells to develop into normal fetuses. The purpose of our current study was to determine whether culture of preimplantation mouse embryos in a chemically defined medium (M16) with or without fetal calf serum (FCS) can affect their subsequent development and imprinted gene expression. Only one third of the blastocysts that had been cultured from two-cell embryos in M16 medium complemented with FCS developed into viable Day 14 fetuses after transfer into recipients. These M16 + FCS fetuses were reduced in weight as compared with controls and M16 fetuses and had decreased expression of the imprinted H19 and insulin-like growth factor 2 genes associated with a gain of DNA methylation at an imprinting control region upstream of H19. They also displayed increased expression of the imprinted gene Grb10. The growth factor receptor binding gene Grb7, in contrast, was strongly reduced in its expression in most of the M16 + FCS fetuses. No alterations were detected for the imprinted gene Mest. Preimplantation culture in the presence of serum can influence the regulation of multiple growth-related imprinted genes, thus leading to aberrant fetal growth and development.

Antigen Ki-67 is a nuclear protein expressed in proliferating mammalian cells. It is widely used in cancer histopathology but its functions remain unclear. Here, we show that Ki-67 controls heterochromatin organisation. Altering Ki-67 expression levels did not significantly affect cell proliferation in vivo. Ki-67 mutant mice developed normally and cells lacking Ki-67 proliferated efficiently. Conversely, upregulation of Ki-67 expression in differentiated tissues did not prevent cell cycle arrest. Ki-67 interactors included proteins involved in nucleolar processes and chromatin regulators. Ki-67 depletion disrupted nucleologenesis but did not inhibit pre-rRNA processing. In contrast, it altered gene expression. Ki-67 silencing also had wide-ranging effects on chromatin organisation, disrupting heterochromatin compaction and long-range genomic interactions. Trimethylation of histone H3K9 and H4K20 was relocalised within the nucleus. Finally, overexpression of human or Xenopus Ki-67 induced ectopic heterochromatin formation. Altogether, our results suggest that Ki-67 expression in proliferating cells spatially organises heterochromatin, thereby controlling gene expression.

Abstract Deposition of histone H3 lysine 4 (H3K4) methylation at promoters by SET1/COMPASS is associated with context-dependent effects on gene expression and local changes in chromatin organization. Whether SET1/COMPASS also contributes to higher-order chromosome structure has not been investigated. Here, we address this question by quantitative FRET (Förster resonance energy transfer)-based fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM) on C. elegans germ cells expressing histones H2B-eGFP and H2B-mCherry. We find that SET1/COMPASS subunits strongly influence meiotic chromosome organization, with marked effects on the close proximity between nucleosomes. We further show that inactivation of SET-2, the C. elegans homologue of SET1, or CFP-1, the chromatin targeting subunit of COMPASS, strongly enhance chromosome organization defects and loss of fertility resulting from depletion of condensin-II. Defects in chromosome morphology resulting from conditional inactivation of topoisomerase II, another structural component of chromosomes, were also aggravated in the absence of SET-2. Combined, our in vivo findings suggest a model in which the SET1/COMPASS histone methyltransferase complex plays a role in shaping meiotic chromosome in cooperation with the non-histone proteins condensin-II and topoisomerase.

CRISPR-Cas9 genome editing occurs in the context of chromatin, which is heterogeneous in structure and function across the genome. Chromatin heterogeneity is thought to affect genome editing efficiency, but this has been challenging to quantify due to the presence of confounding variables. Here, we develop a method that exploits the allele-specific chromatin status of imprinted genes in order to address this problem. Because maternal and paternal alleles of imprinted genes have identical DNA sequence and are situated in the same nucleus, allele-specific differences in the frequency and spectrum of Cas9-induced mutations can be attributed unequivocally to epigenetic mechanisms. We found that heterochromatin can impede mutagenesis, but to a degree that depends on other key experimental parameters. Mutagenesis was impeded by up to 7-fold when Cas9 exposure was brief and when intracellular Cas9 expression was low. Surprisingly, the outcome of mutagenic DNA repair was independent of chromatin state, with similar efficiencies of homology directed repair and deletion spectra on maternal and paternal chromosomes. Combined, our data show that heterochromatin imposes a permeable barrier that influences the kinetics, but not the endpoint of CRISPR-Cas9 genome editing, and suggest that therapeutic applications involving low-level Cas9 exposure will be particularly affected by chromatin status.

Mammalian genomic imprinting is essential for development and provides a unique paradigm to explore intra-cellular differences in chromatin configuration. Here, we compared chromatin structure of the two conserved imprinted domains controlled by paternal DNA methylation imprints -the Igf2-H19 and the Dlk1-Dio3 domains- and assessed the involvement of the insulator protein CTCF. At both domains, CTCF binds the maternal allele of a differentially-methylated region (DMR), in addition to multiple instances of bi-allelic CTCF binding in their surrounding TAD (Topologically Associating Domain). On the paternal chromosome, bi-allelic CTCF binding alone is sufficient to structure a first level of sub-TAD organization. Maternal-specific CTCF binding at the DMRs adds a further layer of sub-TAD organization, which essentially hijacks the existing paternal sub-TAD organisation. Genome-editing experiments at the Dlk1-Dio3 locus confirm that the maternal sub-TADs are essential during development to maintain the imprinted Dlk1 gene in an inactive state on the maternal chromosome.