Abstract DNA methylation has been utilized for target gene silencing in plants, however it’s not well-understood whether other silencing pathways can be also used to manipulate gene expression. Here we performed a gain of function screen for proteins that could silence a target gene when fused to an artificial zinc finger. We uncovered many proteins that suppressed gene expression either through the establishment of DNA methylation, or via DNA methylation-independent processes including histone H3K27me3 deposition, H3K4me3 demethylation, H3K9, H3K14, H3K27, and H4K16 deacetylation, inhibition of RNA Polymerase II transcription elongation or Ser-5 dephosphorylation. The silencing fusion proteins also silenced many other genes with different efficacy, and a machine learning model could accurately predict the efficacy of each silencer based on various chromatin features of the target loci. These results provide a more comprehensive understanding of epigenetic regulatory pathways and provide an armament of tools for targeted manipulation of gene expression.

Abstract Arabidopsis telomeric repeat binding factors (TRBs) can bind telomeric DNA sequences to protect telomeres from degradation. TRBs can also recruit Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2) to deposit tri-methylation of H3 lysine 27 (H3K27me3) over certain target loci. Here, we demonstrate that TRBs also associate and colocalize with JUMONJI14 (JMJ14) and trigger H3K4me3 demethylation at some loci. The trb1/2/3 triple mutant and the jmj14-1 mutant show an increased level of H3K4me3 over TRB and JMJ14 binding sites, resulting in up-regulation of their target genes. Furthermore, tethering TRBs to the promoter region of genes with an artificial zinc finger (TRB-ZF) successfully triggers target gene silencing, as well as H3K27me3 deposition, and H3K4me3 removal. Interestingly, JMJ14 is predominantly recruited to ZF off-target sites with low levels of H3K4me3, which is accompanied with TRB-ZFs triggered H3K4me3 removal at these loci. These results suggest that TRB proteins coordinate PRC2 and JMJ14 activities to repress target genes via H3K27me3 deposition and H3K4me3 removal.