Posterior fossa group A (PFA) ependymoma is a lethal brain cancer diagnosed in infants and young children. The lack of driver events in the PFA linear genome led us to search its 3D genome for characteristic features. Here, we reconstructed 3D genomes from diverse childhood tumor types and uncovered a global topology in PFA that is highly reminiscent of stem and progenitor cells in a variety of human tissues. A remarkable feature exclusively present in PFA are type B ultra long-range interactions in PFAs (TULIPs), regions separated by great distances along the linear genome that interact with each other in the 3D nuclear space with surprising strength. TULIPs occur in all PFA samples and recur at predictable genomic coordinates, and their formation is induced by expression of EZHIP. The universality of TULIPs across PFA samples suggests a conservation of molecular principles that could be exploited therapeutically.

Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2)-mediated histone H3K27 tri-methylation (H3K27me3) recruits canonical PRC1 (cPRC1) to maintain heterochromatin. In early development, polycomb-regulated genes are connected through long-range 3D interactions which resolve upon differentiation. Here, we report that polycomb looping is controlled by H3K27me3 spreading and regulates target gene silencing and cell fate specification. Using glioma-derived H3 Lys-27-Met (H3K27M) mutations as tools to restrict H3K27me3 deposition, we show that H3K27me3 confinement concentrates the chromatin pool of cPRC1, resulting in heightened 3D interactions mirroring chromatin architecture of pluripotency, and stringent gene repression that maintains cells in progenitor states to facilitate tumor development. Conversely, H3K27me3 spread in pluripotent stem cells, following neural differentiation or loss of the H3K36 methyltransferase NSD1, dilutes cPRC1 concentration and dissolves polycomb loops. These results identify the regulatory principles and disease implications of polycomb looping and nominate histone modification-guided distribution of reader complexes as an important mechanism for nuclear compartment organization.The confinement of H3K27me3 at PRC2 nucleation sites without its spreading correlates with increased 3D chromatin interactions.The H3K27M oncohistone concentrates canonical PRC1 that anchors chromatin loop interactions in gliomas, silencing developmental programs.Stem and progenitor cells require factors promoting H3K27me3 confinement, including H3K36me2, to maintain cPRC1 loop architecture.The cPRC1-H3K27me3 interaction is a targetable driver of aberrant self-renewal in tumor cells.

ABSTRACT Gene regulation is influenced by chromatin conformation. Current models suggest that topologically associating domains (TADs) act as regulatory units, which could also include distinct co-expression domains (CODs) favouring correlated gene expression. We integrated publicly available RNA-seq, ChIP-seq and Hi-C data from A549 cells stimulated with the glucocorticoid dexamethasone to explore how differentially expressed genes are co-regulated among TADs and CODs. Interestingly, we found that gene position and orientation also impact co-regulation. Indeed, divergent and convergent pairs of genes we enriched at sub-TAD boundaries, forming distinct CODs. We also found that genes at COD boundaries were less likely to be separated by structural proteins such as Cohesin and CTCF. A complementary analysis of lung expression quantitative trait loci (eQTL) demonstrated that genes affected by the same variant were more likely to be found on the same strand while lacking a TAD boundary. Taken together, these results suggest a model where gene orientation can provide a boundary between CODs, at the sub-TAD level, thus affecting their likelihood of co-regulation.