De novo heterochromatin establishment in 2C-like cells and early embryonic development

Abstract

Chromocenters are established after the 2-cell (2C) stage during mouse embryonic development, but the factors that mediate chromocenter formation remain largely unknown. To identify regulators of 2C heterochromatin establishment, we generated an inducible system to convert embryonic stem cells (ESCs) to 2C-like cells, thus modeling early embryogenesis in vitro. This conversion is marked by a global reorganization of H3K9me3-heterochromatin foci, which are then reversibly formed upon re-entry into pluripotency. Profiling the chromatin-bound proteome of ESCs transitioning to 2C-like cells, we uncover chromatin regulators involved in de novo heterochromatin formation and a relationship between cell cycle regulation and the establishment of the 2C-like state. We identified SMARCAD1, which associates with H3K9me3-heterochromatin in ESCs, but its nuclear localization is lost in 2C-like cells. SMARCAD1 depletion in mouse embryos leads to developmental arrest and loss of H3K9me3. Collectively, our findings contribute to comprehending the establishment of chromocenters during early development, a key step to instruct the embryonic totipotent program toward pluripotency.

Los cromocentros se forman después del estadio de 2 células (2C) durante el desarrollo embrionario de ratón, pero los factores que median su formación siguen siendo en gran medida desconocidos. Para identificar los reguladores del establecimiento de la heterocromatina 2C, generamos un sistema inducible capaz de convertir células madre embrionarias (ESCs) en células similares a embriones 2C (células 2C-like), modelando así el desarrollo temprano in vitro. Esta conversión está caracterizada por una reorganización global de las regiones heterocromáticas marcadas por H3K9me3, las cuales se forman de nuevo al volver a la pluripotencia. Describimos el proteoma unido a la cromatina de ESCs reprogramándose a células 2C-like donde descubrimos reguladores de la cromatina implicados en la formación de novo de heterocromatina así como una relación entre la regulación del ciclo celular y el establecimiento del estado 2C-like. Identificamos el factor SMARCAD1, el cual se asocia con la heterocromatina marcada por H3K9me3 en ESCs, pero su localización nuclear se pierde en las células 2C-like. Finalmente, eliminamos SMARCAD1 en embriones de ratón observando una detención en su desarrollo y una pérdida de H3K9me3. Estos hallazgos contribuyen a comprender el establecimiento de los cromocentros durante el desarrollo temprano, un paso crucial para instruir el programa totipotente embrionario hacia la pluripotencia.