RNA-binding proteins are key regulators of gene expression, yet only a small fraction have been functionally characterized. Here we report a systematic analysis of the RNA motifs recognized by RNA-binding proteins, encompassing 205 distinct genes from 24 diverse eukaryotes. The sequence specificities of RNA-binding proteins display deep evolutionary conservation, and the recognition preferences for a large fraction of metazoan RNA-binding proteins can thus be inferred from their RNA-binding domain sequence. The motifs that we identify in vitro correlate well with in vivo RNA-binding data. Moreover, we can associate them with distinct functional roles in diverse types of post-transcriptional regulation, enabling new insights into the functions of RNA-binding proteins both in normal physiology and in human disease. These data provide an unprecedented overview of RNA-binding proteins and their targets, and constitute an invaluable resource for determining post-transcriptional regulatory mechanisms in eukaryotes. This study reports a global analysis of binding sites for over 200 RNA-binding proteins (RBPs) from 24 species; conserved RNA-binding motifs are identified, and their analysis allows prediction of interaction sites based on the sequence of the RNA-binding domain alone. The sequence and context of RNA that dictate the interaction of RNA-binding proteins with their targets have tended to be studied on a protein-by-protein basis. A study by Timothy Hughes and colleagues now reports a global analysis of binding sites for more than 200 RNA-binding proteins from 24 eukaryote species. Conserved RNA-binding motifs are identified, and their analysis allows for the prediction of interaction sites on the basis of the RNA-binding domain sequence alone. The motifs also are found to reflect each molecule's function, which will aid in understanding the roles of previously uncharacterized examples.

Chromosomes of metazoan organisms are partitioned in the interphase nucleus into discrete topologically associating domains (TADs). Borders between TADs are formed in regions containing active genes and clusters of architectural protein binding sites. The transcription of most genes is repressed after temperature stress in Drosophila. Here we show that temperature stress induces relocalization of architectural proteins from TAD borders to inside TADs, and this is accompanied by a dramatic rearrangement in the 3D organization of the nucleus. TAD border strength declines, allowing for an increase in long-distance inter-TAD interactions. Similar but quantitatively weaker effects are observed upon inhibition of transcription or depletion of individual architectural proteins. Heat shock-induced inter-TAD interactions result in increased contacts among enhancers and promoters of silenced genes, which recruit Pc and form Pc bodies in the nucleolus. These results suggest that the TAD organization of metazoan genomes is plastic and can be reconfigured quickly.

ABSTRACT Genome organization is driven by forces affecting transcriptional state, but the relationship between transcription and genome architecture remains unclear. Here, we identified the Drosophila transcription factor Motif 1 Binding Protein (M1BP) in physical association with the gypsy chromatin insulator core complex, including the universal insulator protein CP190. M1BP is required for enhancer-blocking and barrier activities of the gypsy insulator as well as its proper nuclear localization. Genome-wide, M1BP specifically colocalizes with CP190 at Motif 1-containing promoters, which are enriched at topologically associating domain (TAD) borders. M1BP facilitates CP190 chromatin binding at many shared sites and vice versa. Both factors promote Motif 1-dependent gene expression and transcription near TAD borders genome-wide. Finally, loss of M1BP reduces chromatin accessibility and increases both inter- and intra-TAD local genome compaction. Our results reveal physical and functional interaction between CP190 and M1BP to activate transcription at TAD borders and mediate chromatin insulator-dependent genome organization.

Interphase chromatin is organized precisely to facilitate accurate gene expression. The structure-function relationship of chromatin is epitomized in sex chromosome dosage compensation (DC), where sex-linked gene expression is balanced between males and females via sex-specific alterations to 3D chromosome structure. Studies in ZW-bearing species suggest that DC is absent or incomplete in most lineages except butterflies and moths, where male (ZZ) chZ expression is reduced by half to equal females (ZW). However, whether one chZ is inactivated (as in mammals) or both are partially repressed (as in C. elegans) is unknown. Using Oligopaints in the silkworm, Bombyx mori, we visualize autosome and chZ organization in somatic cells from both sexes for the first time. We find that B. mori interphase chromosomes are highly compact relative to Drosophila chromosomes. Importantly, we show that in B. mori males, both chZs are similar in size and shape and are more compact than autosomes or the female chZ after DC establishment, suggesting that both male chZs are partially and equally downregulated. We also find that in the early stages of DC, the female chZ repositions toward the nuclear center concomitant with increased Z-linked gene expression, revealing the first non-sequencing-based support for Ohno's hypothesis. These studies represent the first visualization of interphase genome organization and chZ structure in Lepidoptera. We uncover striking similarities between DC in B. mori and C. elegans, despite these lineages harboring evolutionarily distinct sex chromosomes (ZW/XY), suggesting convergent evolution of DC mechanisms and a possible role for holocentricity in DC evolution.

ABSTRACT Genetic mechanisms that repress transposable elements (TEs) in young animals decline during aging, as reflected by increased TE expression in aged animals. Does increased TE expression during aging lead to more genomic TE copies in older animals? To answer this question, we quantified TE Landscapes (TLs) via whole genome sequencing of young and aged Drosophila strains of wild-type and mutant backgrounds. We quantified TLs in whole flies and dissected brains and validated the feasibility of our approach in detecting new TE insertions in aging Drosophila genomes when natural defenses like RNA interference (RNAi) pathways are compromised. By also incorporating droplet digital PCR to validate genomic TE loads, we confirm TL changes can occur in a single lifespan of Drosophila when TEs are not suppressed. We also describe improved sequencing methods to quantify extra-chromosomal DNA circles (eccDNAs) in Drosophila as an additional source of TE copies that accumulate during aging. Lastly, to combat the natural progression of aging-associated TE expression, we show that knocking down PAF1 , a conserved transcription elongation factor that antagonizes RNAi pathways, may bolster suppression of TEs during aging and extend lifespan. Our study suggests that RNAi mechanisms generally mitigate genomic TL expansion despite the increase in TE transcripts during aging.

Abstract Accurate chromosome segregation during meiosis is essential for reproductive success. Yet, many fundamental aspects of meiosis remain unclear, including the mechanisms regulating homolog pairing across species. This gap is partially due to our inability to visualize individual chromosomes during meiosis. Here, we employ Oligopaint FISH to investigate homolog pairing and compaction of meiotic chromosomes in a classical model system, the silkworm Bombyx mori . Our Oligopaint design combines multiplexed barcoding with secondary oligo labeling for high flexibility and low cost. These studies illustrate that Oligopaints are highly specific in whole-mount gonads and on meiotic chromosome spreads. We show that meiotic pairing is robust in both males and female meiosis. Additionally, we show that meiotic bivalent formation in B. mori males is highly similar to bivalent formation in C. elegans , with both of these pathways ultimately resulting in the pairing of chromosome ends with non-paired ends facing the spindle pole and microtubule recruitment independent of the centromere-specifying factor CENP-A. Author’s Summary Meiosis is the specialized cell division occurring exclusively in ovaries and testes to produce egg and sperm cells, respectively. The accurate distribution of chromosomes (the genetic material) during this process is essential to prevent infertility/sterility and developmental disorders in offspring. As researchers are specifically unable to study the mechanisms regulating meiosis in depth in humans, identifying broadly conserved aspects of meiotic chromosome segregation is essential for making accurate inferences about human biology. Here, we use a sophisticated chromosome painting approach called Oligopaints to visualize and study chromosomes during meiosis in the silkworm, Bombyx mori . We illustrate that Oligopaints are highly specific in B. mori and demonstrate how Oligopaints can be used to study the dynamics of meiotic chromosomes in diverse species.

Precise regulation of chromosome dynamics in the germline is essential for reproductive success across species. Yet, the mechanisms underlying meiotic chromosomal events such as homolog pairing and chromosome segregation are not fully understood in many species. Here, we employ Oligopaint DNA FISH to investigate mechanisms of meiotic homolog pairing and chromosome segregation in the holocentric pantry moth, Plodia interpunctella , and compare our findings to new and previous studies in the silkworm moth, Bombyx mori , which diverged from P . interpunctella over 100 million years ago. We find that pairing in both Bombyx and Plodia spermatogenesis is initiated at gene-rich chromosome ends. Additionally, both species form rod shaped cruciform-like bivalents at metaphase I. However, unlike the telomere-oriented chromosome segregation mechanism observed in Bombyx , Plodia can orient bivalents in multiple different ways at metaphase I. Surprisingly, in both species we find that kinetochores consistently assemble at non-telomeric loci toward the center of chromosomes regardless of where chromosome centers are located in the bivalent. Additionally, sister kinetochores do not seem to be paired in these species. Instead, four distinct kinetochores are easily observed at metaphase I. Despite this, we find clear end-on microtubule attachments and not lateral microtubule attachments co-orienting these separated kinetochores. These findings challenge the classical view of segregation where paired, poleward-facing kinetochores are required for accurate homolog separation in meiosis I. Our studies here highlight the importance of exploring fundamental processes in non-model systems, as employing novel organisms can lead to the discovery of novel biology.

ABSTRACT During development, looping of an enhancer to a promoter is frequently observed in conjunction with temporal and tissue-specific transcriptional activation. The chromatin insulator-associated protein Shep promotes Drosophila post-mitotic neuronal remodeling by repressing transcription of master developmental regulators, such as brain tumor ( brat ), specifically in maturing neurons. Since insulator proteins can promote looping, we hypothesized that Shep antagonizes brat promoter interaction with an as yet unidentified enhancer. Using chromatin conformation capture and reporter assays, we identified two novel enhancer regions that increase in looping frequency with the brat promoter specifically in pupal brains after Shep depletion. The brat promoters and enhancers function independently of Shep, ruling out direct repression of these elements. Moreover, ATAC-seq in isolated neurons demonstrated that Shep restricts chromatin accessibility of a key brat enhancer as well as other enhancers genome-wide in remodeling pupal but not larval neurons. These enhancers are enriched for chromatin targets of Shep and are located at Shep-inhibited genes, suggesting direct Shep inhibition of enhancer accessibility and gene expression during neuronal remodeling. Our results provide evidence for temporal regulation of chromatin looping and enhancer accessibility during neuronal maturation.

Abstract The hallmarks of chromosome organization in multicellular eukaryotes are chromosome territories (CT), chromatin compartments, and different types of domains, including topologically associated domains (TADs). Yet, most of these concepts derive from analyses of organisms with monocentric chromosomes. Here we describe the 3D genome architecture of an organism with holocentric chromosomes, the silkworm Bombyx mori . At the genome-wide scale, B. mori chromosomes form highly separated territories and lack substantial trans contacts. As described in other eukaryotes, B. mori chromosomes segregate into an active A and an inactive B compartment. Remarkably, we also identify a third compartment, Secluded “S”, with a unique contact pattern. Compartment S shows strong enrichment of short-range contacts and depletion of long-range contacts. It hosts a unique combination of genetic and epigenetic features, localizes at the periphery of CTs and shows developmental plasticity. Biophysical modeling shows that formation of such secluded domains requires a new mechanism – a high density of extruded loops within them along with low level of extrusion and compartmentalization of A and B. Together with other evidence of loop extrusion in interphase, this suggests SMC-mediated loop extrusion in this insect. Overall, our analyses highlight the evolutionary plasticity of 3D genome organization driven by a new combination of known processes.

Chromatin architecture facilitates accurate transcription at a number of loci, but it remains unclear how much chromatin architecture is involved in global transcriptional regulation. Previous work has shown that rapid depletion of the architectural protein CTCF in cell culture strongly alters chromatin organization but results in surprisingly limited gene expression changes. This discrepancy has also been observed when other architectural proteins are depleted, and one possible explanation is that full transcriptional changes are masked by cellular heterogeneity. We tested this idea by performing multi-omics analyses with sorted post-mitotic mouse rods, which undergo synchronized development, and identified CTCF-dependent regulation of global chromatin accessibility and gene expression. Depletion of CTCF leads to dysregulation of ∼20% of the entire transcriptome (>3,000 genes) and ∼41% of genome accessibility (>26,000 sites), and these regions are strongly enriched in euchromatin. Importantly, these changes are highly enriched for CTCF occupancy, suggesting direct CTCF binding and transcriptional regulation at these active loci. CTCF mainly promotes chromatin accessibility of these direct binding targets, and a large fraction of these sites correspond to promoters. At these sites, CTCF binding frequently promotes accessibility and inhibits expression, and motifs of transcription repressors are found to be significantly enriched. Our findings provide different and often opposite conclusions from previous studies, emphasizing the need to consider cell heterogeneity and cell type specificity when performing multi-omics analyses. We conclude that the architectural protein CTCF binds chromatin and regulates global chromatin accessibility and transcription during rod development.