ABSTRACT The Argonaute proteins (AGO) are well-known for their essential role in post-transcriptional gene silencing in the microRNA (miRNA) biogenesis pathway. Only two AGOs (AGO1 and AGO2) are expressed in mouse embryonic stem cells (mESCs). The transcriptome of Ago mutant mESCs revealed a large and specific set of misregulated genes, compared to other miRNA biogenesis factor mutant cells, suggesting additional functions for the AGOs in stem cells. In this study, we endeavored to understand miRNA-independent roles of the AGOs in gene expression regulation through the integration of multiple datasets. Correlation of Ago mutant differential gene expression with ENCODE histone modification data of WT mESCs revealed that affected genes were regulated by the repressive histone modification H3K27me3. We validated this observation by performing chromatin immunoprecipitation followed by sequencing and observed a global loss of H3K27me3 in Ago mutant cells. Nevertheless, this reduction explains only a small part of the specific differential gene expression observed in Ago mutant mESCs. By integrating chromatin accessibility data in conjunction with prediction of transcription factor binding sites, we identified differential binding for five transcription factors, including KLF4 as a key modulator of more than half of the specific misregulation of gene expression in the absence of AGO proteins. Our findings illustrate that in addition to chromatin state, information about transcription factor binding is more revelatory in understanding the multi-layered mechanism adopted by cells to regulate gene expression. These data also highlight the importance of an integrative approach to unravel the variety of noncanonical functions of AGOs in mESCs.

Abstract Prostate cancer (PCa) is one of the most prevalent cancers in men. Cancer stem cells are thought to be associated with PCa relapse. Here we show that BAZ2A is required for the transition of PCa cells into a cancer stem-like state. BAZ2A genomic occupancy in PCa cells coincides with H3K14ac enriched chromatin regions. This association is mediated by BAZ2A-bromodomain (BAZ2A-BRD) that specifically binds H3K14ac. BAZ2A associates with inactive enhancers marked by H3K14ac and repressing transcription of genes frequently silenced in aggressive and poorly differentiated PCa. BAZ2A-mediated repression is also linked to EP300 that acetylates H3K14ac. BAZ2A-BRD mutations or treatment with inhibitors abrogating BAZ2A-BRD/H3K14ac interaction impair the transition of PCa cells into a stem-like state. Furthermore, pharmacological inactivation of BAZ2A-BRD impairs Pten -loss oncogenic transformation of prostate organoids. Our findings indicate a role of BAZ2A-BRD in PCa stem cell features and suggest potential epigenetic-reader therapeutic strategies to target BAZ2A in aggressive PCa.

Chromosomes have an intrinsic tendency to segregate into compartments, forming long-distance contacts between loci of similar chromatin states. However, how genome compartmentalization is regulated remains elusive. We analyzed two closely and developmentally related pluripotent cell types: ground-state ESCs that have an open and active chromatin and developmentally advanced ESCs that display a more closed and repressed state. We show that these two ESC types differ in their regulation of genome organization due to their differential dependency on TIP5, a component of the chromatin remodeling complex NoRC. We show that TIP5 interacts on ESC chromatin with SNF2H, DNA topoisomerase 2A (TOP2A) and cohesin. TIP5 associates with sub-domains within the active A compartment that strongly intersect through long-range contacts in ESCs. We found that only ground-state chromatin requires TIP5 to limit the invasion of active domains into repressive compartments. Depletion of TIP5 increased chromatin accessibility particularly at B compartments and decreased their repressive features. Furthermore, TIP5 acts as a barrier for the repressive H3K27me3 spreading, a process that also requires TOP2A activity. Finally, ground-state ESCs require TIP5 for growth, differentiation capacity, and correct expression of developmental genes. Our results revealed the propensity of open and active chromatin domains to invade repressive domains, an action counteracted by chromatin remodeling and the relief of chromatin torsional stress. This effort in controlling open/active chromatin domains is required to establish active and repressed genome partitioning and preserves cell function and identity.