In pluripotent cells, a delicate activation-repression balance maintains pro-differentiation genes ready for rapid activation. The identity of transcription factors (TFs) that specifically repress pro-differentiation genes remains obscure. By targeting ∼1,700 TFs with CRISPR loss-of-function screen, we found that ZBTB11 and ZFP131 are required for embryonic stem cell (ESC) pluripotency. ESCs without ZBTB11 or ZFP131 lose colony morphology, reduce proliferation rate, and upregulate transcription of genes associated with three germ layers. ZBTB11 and ZFP131 bind proximally to pro-differentiation genes. ZBTB11 or ZFP131 loss leads to an increase in H3K4me3, negative elongation factor (NELF) complex release, and concomitant transcription at associated genes. Together, our results suggest that ZBTB11 and ZFP131 maintain pluripotency by preventing premature expression of pro-differentiation genes and present a generalizable framework to maintain cellular potency.

Abstract In pluripotent cells, a delicate activation-repression balance maintains pro-differentiation genes ready for rapid activation. The identity of transcription factors (TFs) that specifically repress pro-differentiation genes remains obscure. By targeting ~1,700 TFs with CRISPR loss-of-function screen, we found that ZBTB11 and ZFP131 are required for embryonic stem cell (ESC) pluripotency. ZBTB11 and ZFP131 maintain promoter-proximally paused Polymerase II at pro-differentiation genes in ESCs. ZBTB11 or ZFP131 loss leads to NELF pausing factor release, an increase in H3K4me3, and transcriptional upregulation of genes associated with all three germ layers. Together, our results suggest that ZBTB11 and ZFP131 maintain pluripotency by preventing premature expression of pro-differentiation genes and present a generalizable framework to maintain cellular potency. One-sentence summary A Transcription Factor-wide CRISPR screen identifies ZBTB11 and ZFP131 maintaining pluripotency by pausing POL II at pro-differentiation genes

Summary Dendritic cells (DCs) are immune sentinel cells that comprise antigen-presenting conventional DCs (cDCs) and cytokine-producing plasmacytoid DCs (pDCs). Cytokine Flt3 ligand (Flt3L) supports the proliferation of hematopoietic progenitors, and is also necessary and sufficient for DC differentiation. Here we characterized the spontaneous differentiation of a Flt3L-dependent murine progenitor cell line into pDCs and “myeloid” cDCs (cDC2s), and interrogated it using a genome-wide CRISPR/Cas9 dropout screen. The screen revealed multiple regulators of DC differentiation including the glycosylphosphatidylinositol transamidase complex, the Nieman-Pick type C cholesterol transporter and arginine methyltransferase Carm1; the role of Carm1 in pDC and cDC2 differentiation was confirmed by conditional targeting in vivo. We also found that negative regulators of mTOR signaling, including the subunits of TSC and GATOR1 complexes, restricted progenitor growth but enabled DC differentiation. The results provide a comprehensive forward genetic analysis of DC differentiation, and help explain how the opposing processes of proliferation and differentiation could be driven by the same cytokine.