Abstract The movement of selfish DNA elements can lead to widespread genomic alterations with potential to create novel functions. Here we show that transposon expansions in Caenorhabditis nematodes led to extensive rewiring of germline transcriptional regulation. We find that about one third of C. elegans germline-specific promoters have been co-opted from two related Miniature Inverted Repeat Transposable Elements (MITEs), CERP2 and CELE2. The promoters are regulated by HIM-17, a THAP domain-containing transcription factor related to a transposase. Expansion of CERP2 occurred prior to radiation of the Caenorhabditis genus, as did fixation of mutations in HIM-17 through positive selection, whereas CELE2 expanded only in C. elegans . Through comparative analyses in C. briggsae , we find evolutionary conservation of most CERP2 co-opted promoters, but a substantial fraction of events are species specific. Our work reveals the emergence of a novel transcriptional network driven by TE co-option with a major impact on regulatory evolution.

The spatiotemporal control of gene expression exerted by promoters and enhancers is central for organismal development, physiology and behaviour. These two types of regulatory elements have long been distinguished from each other based on their function, but recent work highlighted common architectural and functional features. It also suggested that inheritable alterations in the epigenetic and sequence context of regulatory elements might underlie evolutionary changes of their principal activity, which could result in changes in the transcriptional profile of genes under their control or even facilitate the birth of new genes. Here, based on integrated cross-mammalian analyses of DNase hypersensitivity, chromatin modification and transcriptional data, we provide support for this hypothesis by detecting 449 regulatory elements with signatures of activity turnover in sister species from the primate and rodent lineages (termed "P/E" elements). Through the comparison with outgroup species, we defined the directionality of turnover events, which revealed that most instances represent transformations of ancestral enhancers into promoters, leading to the emergence of species-specific transcribed loci or 5' exons. Notably, P/E elements have distinct GC sequence compositions and stabilizing 5' splicing (U1) regulatory motif patterns, which may predispose them to functional repurposing during evolution. Moreover, we trace changes in the U1 and polyadenylation signal densities and distributions that accompanied and likely drove the evolutionary activity switches. Overall, our work suggests rather widespread evolutionary remodelling of regulatory element functions. Functional repurposing thus represents a notable mechanism that likely facilitated regulatory innovation and the origination of new genes and exons during mammalian evolution.

ABSTRACT The DREAM (DP, Retinoblastoma [Rb]-like, E2F, and MuvB) complex controls cellular quiescence by repressing cell cycle and other genes, but its mechanism of action is unclear. Here we demonstrate that two C. elegans THAP domain proteins, LIN-15B and LIN-36, co-localize with DREAM and function by different mechanisms for repression of distinct sets of targets. LIN-36 represses classical cell cycle targets by promoting DREAM binding and gene body enrichment of H2A.Z, and we find that DREAM subunit EFL-1/E2F is specific for LIN-36 targets. In contrast, LIN-15B represses germline specific targets in the soma by facilitating H3K9me2 promoter marking. We further find that LIN-36 and LIN-15B differently regulate DREAM binding. In humans, THAP proteins have been implicated in cell cycle regulation by poorly understood mechanisms. We propose that THAP domain proteins are key mediators of Rb/DREAM function.

Abstract Histone chaperones control nucleosome density and chromatin structure. In yeast, the H3-H4 chaperone Spt2 controls histone deposition at active genes but its roles in metazoan chromatin structure and organismal physiology are not known. Here we identify the Caenorhabditis elegans orthologue of SPT2 (CeSPT-2) and show that its ability to bind histones H3-H4 is important for germline development and transgenerational epigenetic gene silencing, and that spt-2 mutants display signatures of a global stress response. Genome-wide profiling showed that CeSPT-2 binds to a range of highly expressed genes, and we find that spt- 2 mutants have increased chromatin accessibility at these loci. We also show that human SPT2 controls the incorporation of new H3.3 into chromatin. Our work reveals roles for SPT2 in controlling chromatin structure and function in Metazoa.