Summary H3K9me3-dependent heterochromatin is critical for the silencing of repeat-rich pericentromeric regions and also has key roles in repressing lineage-inappropriate protein-coding genes in differentiation and development. Here, we investigate the molecular consequences of heterochromatin loss in cells deficient in both Suv39h1 and Suv39h2 (Suv39DKO), the major mammalian histone methyltransferase enzymes that catalyse heterochromatic H3K9me3 deposition. Unexpectedly, we reveal a predominant repression of protein-coding genes in Suv39DKO cells, with these differentially expressed genes principally in euchromatic (DNaseI-accessible, H3K27ac-marked) rather than heterochromatic (H3K9me3-marked) regions. Examination of the 3D nucleome reveals that transcriptomic dysregulation occurs in euchromatic regions close to the nuclear periphery in 3-dimensional space. Moreover, this transcriptomic dysregulation is highly correlated with altered 3-dimensional genome organization in Suv39DKO cells. Together, our results suggest that the nuclear lamina-tethering of Suv39-dependent H3K9me3 domains provides an essential scaffold to support euchromatic genome organisation and the maintenance of gene transcription for healthy cellular function.

ABSTRACT Remodelling of chromatin architecture is known to regulate gene expression and has been well characterized in cell lineage development but less so in response to cell perturbation. Activation of T cells, which triggers extensive changes in transcriptional programs, serves as an instructive model to elucidate how changes in genome organization orchestrate gene expression in response to cell perturbation. To characterize coordinate changes at different levels of chromatin architecture, we analysed chromatin accessibility, chromosome conformation and gene expression after activation of human T cells. T cell activation led to widespread changes in chromatin interactions and accessibility that were mostly shared between CD4 + and CD8 + T cells. Differential chromatin interactions were associated with upregulation or downregulation of linked target genes. Moreover, activation was associated with the formation of shorter chromatin interactions, partitioning of topologically associating domains (TADs) and acquisition of new TAD boundaries characterized by higher nucleosome occupancy, and lower chromatin accessibility and gene expression. These findings render an integrated and multiscale characterization of activation-induced re-organization of chromatin architecture underlying gene transcription in human T cells.

During cellular differentiation chromosome conformation is altered to support the lineage-specific transcriptional programs required for cell identity. When these changes occur in relation to cell cycle, division and time is unclear. Here we followed B lymphocytes as they differentiated from a naive, quiescent state into antibody secreting plasma cells. Unexpectedly, we found that gene-regulatory chromosome reorganization occurred prior to the first division, in late G1 phase and that this configuration is maintained as the cells rapidly cycle during clonal expansion. A second wave of architectural changes also occurred later as cells differentiated into plasma cells and this was associated with increased time in G1 phase. These data provide an explanation for how lymphocyte fate is imprinted prior to the first division and suggest that chromosome reconfiguration is spatiotemporally separated from DNA replication and mitosis to ensure the implementation of a gene regulatory program that controls the differentiation process required for the generation of immunity.

SUMMARY The transcription factor Myc is critically important in driving cell proliferation, a function that is frequently dysregulated in cancer. To avoid this dysregulation Myc is tightly controlled by numerous layers of regulation. One such layer is the use of distal regulatory enhancers to drive Myc expression. Here, using chromosome conformation capture to examine B cells of the immune system in the first hours after their activation, we reveal a previously unidentified enhancer of myc. The interactivity of this enhancer coincides with a dramatic, but discrete, spike in Myc expression 3 hours post-activation. However, genetic deletion of this region, has little impact on Myc expression, Myc protein level or in vitro and in vivo cell proliferation. Examination of the enhancer deleted regulatory landscape suggests that enhancer redundancy likely sustains Myc expression. This work highlights not only the importance of temporally examining enhancers, but also the complexity and dynamics of the regulation of critical genes such as Myc .

Abstract The Drosophila ovary is regenerated from germline and somatic stem cell populations that have provided fundamental conceptual understanding on how adult stem cells are regulated within their niches. Recent ovarian transcriptomic studies have failed to identify mRNAs that are specific to follicle stem cells (FSCs), suggesting that their fate may be regulated post-transcriptionally. We have identified that the RNA-binding protein, Musashi (Msi) is required for maintaining the stem cell state of FSCs. Loss of msi function results in stem cell loss, not due to cell death, but mutant FSCs upregulate Lamin C, indicating a change in differentiation state. In msi mutant ovaries, Lamin C upregulation was also observed in posterior escort cells and mutant somatic cells within regions 2/3 were dysfunctional, as evidenced by the presence of germline cyst collisions and fused egg chambers. The msi locus produces two classes of mRNAs (long and short). We show that FSC maintenance and escort cell function specifically requires the long transcripts, thus providing the first evidence of isoform-specific regulation in a population of Drosophila epithelial cells. We further demonstrate that although male germline stem cells have previously been shown to require Msi function to prevent differentiation this is not the case for female germline stem cells, indicating that these similar stem cell types have different requirements for Msi, in addition to the differential use of Msi isoforms between soma and germline.

Abstract The proximity pattern and radial distribution of chromosome territories within spherical nuclei are well understood to be random and non-random, respectively. Whether this distribution pattern is conserved in the partitioned or lobed nuclei of polymorphonuclear cells is unclear. Here we use chromosome paint technology and a novel high-throughput imaging analysis pipeline to examine the chromosome territories of all 46 chromosomes in hundreds of single human neutrophils – an abundant and famously polymorphonuclear immune cell. By comparing the distribution of chromosomes to randomly shuffled controls, and validating with orthogonal chromosome conformation capture technology, we show for the first time that all human chromosomes randomly distribute to neutrophil nuclear lobes, while maintaining a non-random radial distribution within these lobes. Furthermore, by leveraging the power of this vast dataset, we are able to reveal characteristics of chromosome territories not detected previously. For example, we demonstrate that chromosome length correlates with three-dimensional volume not only in neutrophils but other human immune cells. This work demonstrates that chromosomes are largely passive passengers during the neutrophil lobing process, but are able to maintain their macro-level organisation within lobes. Furthermore, the random distribution of chromosomes to the naturally partitioned nuclear lobes suggests that specific transchromosomal interactions are unimportant in mature neutrophils.

It has been proposed that interactions between mammalian chromosomes, or transchromosomal interactions (also known as kissing chromosomes), regulate gene expression and cell fate determination. Here we aimed to identify novel transchromosomal interactions in immune cells by high-resolution genome-wide chromosome conformation capture. Although we readily identified stable interactions in cis, and also between centromeres and telomeres on different chromosomes, surprisingly we identified no gene regulatory transchromosomal interactions in either mouse or human cells, including previously described interactions. We suggest that advances in the chromosome conformation capture technique and the unbiased nature of this approach allow more reliable capture of interactions between chromosomes than previous methods. Overall our findings suggest that stable transchromosomal interactions that regulate gene expression are not present in mammalian immune cells and that lineage identity is governed by cis, not trans chromosomal interactions.

Abstract Stably silenced genes that display a high level of CpG dinucleotide methylation are refractory to the current generation of dCas9-based activation systems. To counter this, we created an improved activation system by coupling the catalytic domain of DNA demethylating enzyme TET1 with transcriptional activators (TETact). TETact induces transcription of heavily suppressed non-coding RNA and surface protein, and the reactivation of embryonic haemoglobin genes in non-erythroid cells.

B-cell development is initiated by the stepwise differentiation of hematopoietic stem cells into lineage committed progenitors, ultimately generating the mature B-cells that mediate protective immunity. This highly regulated process also generates clonal immunological diversity via recombination of immunoglobulin genes. While several transcription factors that control B-cell development and V(D)J recombination have been defined, how these processes are initiated and coordinated into a precise regulatory network remains poorly understood. Here, we show that the transcription factor ETS Related Gene (Erg) is essential for the earliest steps in B-cell differentiation. Erg initiates a transcriptional network involving the B-cell lineage defining genes, Ebf1 and Pax5 , that directly promotes the expression of key genes involved in V(D)J recombination and formation of the B-cell receptor. Complementation of the Erg-deficiency with a productively rearranged immunoglobulin gene rescued B-cell development, demonstrating that Erg is an essential and exquisitely stage specific regulator of the gene regulatory network controlling B-lymphopoiesis.