Polycomb-repressive complex 1 (PRC1) has a central role in the regulation of heritable gene silencing during differentiation and development. PRC1 recruitment is generally attributed to interaction of the chromodomain of the core protein Polycomb with trimethyl histone H3K27 (H3K27me3), catalyzed by a second complex, PRC2. Unexpectedly we find that RING1B, the catalytic subunit of PRC1, and associated monoubiquitylation of histone H2A are targeted to closely overlapping sites in wild-type and PRC2-deficient mouse embryonic stem cells (mESCs), demonstrating an H3K27me3-independent pathway for recruitment of PRC1 activity. We show that this pathway is mediated by RYBP-PRC1, a complex comprising catalytic subunits of PRC1 and the protein RYBP. RYBP-PRC1 is recruited to target loci in mESCs and is also involved in Xist RNA-mediated silencing, the latter suggesting a wider role in Polycomb silencing. We discuss the implications of these findings for understanding recruitment and function of Polycomb repressors.

The mammalian genome harbors up to one million regulatory elements often located at great distances from their target genes. Long-range elements control genes through physical contact with promoters and can be recognized by the presence of specific histone modifications and transcription factor binding. Linking regulatory elements to specific promoters genome-wide is currently impeded by the limited resolution of high-throughput chromatin interaction assays. Here we apply a sequence capture approach to enrich Hi-C libraries for >22,000 annotated mouse promoters to identify statistically significant, long-range interactions at restriction fragment resolution, assigning long-range interacting elements to their target genes genome-wide in embryonic stem cells and fetal liver cells. The distal sites contacting active genes are enriched in active histone modifications and transcription factor occupancy, whereas inactive genes contact distal sites with repressive histone marks, demonstrating the regulatory potential of the distal elements identified. Furthermore, we find that coregulated genes cluster nonrandomly in spatial interaction networks correlated with their biological function and expression level. Interestingly, we find the strongest gene clustering in ES cells between transcription factor genes that control key developmental processes in embryogenesis. The results provide the first genome-wide catalog linking gene promoters to their long-range interacting elements and highlight the complex spatial regulatory circuitry controlling mammalian gene expression.

Sarah Elderkin and colleagues show that PRC1 acts as a master regulator of genome architecture in mouse embryonic stem cells by organizing genes in three-dimensional interaction networks. They find that the strongest spatial network is composed of the four Hox clusters and key early developmental transcription factor genes, and they propose that selective release of genes from this spatial network underlies cell fate specification during embryonic development. The Polycomb repressive complexes PRC1 and PRC2 maintain embryonic stem cell (ESC) pluripotency by silencing lineage-specifying developmental regulator genes1. Emerging evidence suggests that Polycomb complexes act through controlling spatial genome organization2,3,4,5,6,7,8,9. We show that PRC1 functions as a master regulator of mouse ESC genome architecture by organizing genes in three-dimensional interaction networks. The strongest spatial network is composed of the four Hox gene clusters and early developmental transcription factor genes, the majority of which contact poised enhancers. Removal of Polycomb repression leads to disruption of promoter-promoter contacts in the Hox gene network. In contrast, promoter-enhancer contacts are maintained in the absence of Polycomb repression, with accompanying widespread acquisition of active chromatin signatures at network enhancers and pronounced transcriptional upregulation of network genes. Thus, PRC1 physically constrains developmental transcription factor genes and their enhancers in a silenced but poised spatial network. We propose that the selective release of genes from this spatial network underlies cell fate specification during early embryonic development.

The mechanisms by which the major Polycomb group (PcG) complexes PRC1 and PRC2 are recruited to target sites in vertebrate cells are not well understood. Building on recent studies that determined a reciprocal relationship between DNA methylation and Polycomb activity, we demonstrate that, in methylation-deficient embryonic stem cells (ESCs), CpG density combined with antagonistic effects of H3K9me3 and H3K36me3 redirects PcG complexes to pericentric heterochromatin and gene-rich domains. Surprisingly, we find that PRC1-linked H2A monoubiquitylation is sufficient to recruit PRC2 to chromatin in vivo, suggesting a mechanism through which recognition of unmethylated CpG determines the localization of both PRC1 and PRC2 at canonical and atypical target sites. We discuss our data in light of emerging evidence suggesting that PcG recruitment is a default state at licensed chromatin sites, mediated by interplay between CpG hypomethylation and counteracting H3 tail modifications.

Polycomb repressive complexes (PRCs) are important histone modifiers, which silence gene expression, yet there exists a subset of PRC-bound genes actively transcribed by RNA polymerase II (RNAPII). It is likely that the role of PRC is to dampen expression of these PRC-active genes. However, it is unclear how this flipping between chromatin states alters the kinetics of transcriptional burst size and frequency relative to genes with exclusively activating marks. To investigate this, we integrate histone modifications and RNAPII states derived from bulk ChIP-seq data with single-cell RNA-sequencing data. We find that PRC-active genes have a greater cell-to-cell variation in expression than active genes with the same mean expression levels, and validate these results by knockout experiments. We also show that PRC-active genes are clustered on chromosomes in both two and three dimensions, and interactions with active enhancers promote a stabilization of gene expression noise. These findings provide new insights into how chromatin regulation modulates stochastic gene expression and transcriptional bursting, with implications for regulation of pluripotency and development.