Abstract Nuclear architecture in tissues can arise from cell-type specific organization of nuclear bodies, chromatin states and chromosome structures. However, the lack of genome-wide measurements to interrelate such modalities within single cells limits our overall understanding of nuclear architecture. Here, we demonstrate integrated spatial genomics in the mouse brain cortex, imaging thousands of genomic loci along with RNAs and subnuclear markers simultaneously in individual cells. We revealed chromatin fixed points, combined with cell-type specific organization of nuclear bodies, arrange the interchromosomal organization and radial positioning of chromosomes in diverse cell types. At the sub-megabase level, we uncovered a collection of single-cell chromosome domain structures, including those for the active and inactive X chromosomes. These results advance our understanding of single-cell nuclear architecture in complex tissues.

Abstract Kidney injury disrupts the intricate renal architecture and triggers limited regeneration, and injury-invoked inflammation and fibrosis. Deciphering molecular pathways and cellular interactions driving these processes is challenging due to the complex renal architecture. Here, we applied single cell spatial transcriptomics to examine ischemia-reperfusion injury in the mouse kidney. Spatial transcriptomics revealed injury-specific and spatially-dependent gene expression patterns in distinct cellular microenvironments within the kidney and predicted Clcf1-Crfl1 in a molecular interplay between persistently injured proximal tubule cells and neighboring fibroblasts. Immune cell types play a critical role in organ repair. Spatial analysis revealed cellular microenvironments resembling early tertiary lymphoid structures and identified associated molecular pathways. Collectively, this study supports a focus on molecular interactions in cellular microenvironments to enhance understanding of injury, repair and disease. One-Sentence Summary: Spatial transcriptomics predicted a molecular interplay amongst neighboring cell-types in the injured mammalian kidney Main Text:

The mammalian nucleus is compartmentalized by diverse subnuclear structures. These subnuclear structures, marked by nuclear bodies and histone modifications, are often cell-type specific and affect gene regulation and 3D genome organization1-3. Understanding nuclear organization requires identifying the molecular constituents of subnuclear structures and mapping their associations with specific genomic loci in individual cells, within complex tissues. Here, we introduce two-layer DNA seqFISH+, which allows simultaneous mapping of 100,049 genomic loci, together with nascent transcriptome for 17,856 genes and a diverse set of immunofluorescently labeled subnuclear structures all in single cells in cell lines and adult mouse cerebellum. Using these multi-omics datasets, we showed that repressive chromatin compartments are more variable by cell type than active compartments. We also discovered a single exception to this rule: an RNA polymerase II (RNAPII)-enriched compartment was associated with long, cell-type specific genes (> 200kb), in a manner distinct from nuclear speckles. Further, our analysis revealed that cell-type specific facultative and constitutive heterochromatin compartments marked by H3K27me3 and H4K20me3 are enriched at specific genes and gene clusters, respectively, and shape radial chromosomal positioning and inter-chromosomal interactions in neurons and glial cells. Together, our results provide a single-cell high-resolution multi-omics view of subnuclear compartments, associated genomic loci, and their impacts on gene regulation, directly within complex tissues.

Summary Tissue regeneration after injury requires coordinated regulation of stem cell activation, division, and daughter cell differentiation, processes that are increasingly well understood in many regenerating tissues. How accurate stem cell positioning and localized integration of new cells into the damaged epithelium are achieved, however, remains unclear. Here we show that enteroendocrine cells coordinate stem cell migration towards a wound in the Drosophila intestinal epithelium. In response to injury, EEs release the N-terminal domain of the PTK7 orthologue, Otk, which activates non-canonical Wnt signaling in ISCs, promoting actin-based protrusion formation and ISC migration towards a wound. We find that this migratory behavior is closely linked to ISC proliferation, and that it is required for efficient tissue repair during injury. Our findings highlight the role of non-canonical Wnt signaling in regeneration of the intestinal epithelium, and identify EE-released ligands as critical coordinators of ISC migration.

Cellular senescence and the senescence-associated secretory phenotype (SASP) are implicated in aging and age-related disease, and SASP-related inflammation is thought to contribute to tissue dysfunction in aging and diseased animals. However, whether and how SASP factors influence the regenerative capacity of tissues remains unclear. Here, using intestinal organoids as a model of tissue regeneration, we show that SASP factors released by senescent fibroblasts deregulate stem cell activity and differentiation and ultimately impair crypt formation. We identify the secreted N-terminal domain of Ptk7 as a key component of the SASP that activates non-canonical Wnt / Ca2+ signaling through FZD7 in intestinal stem cells (ISCs). Changes in cytosolic [Ca2+] elicited by Ptk7 promote nuclear translocation of YAP and induce expression of YAP/TEAD target genes, impairing symmetry breaking and stem cell differentiation. Our study discovers secreted Ptk7 as a factor released by senescent cells and provides insight into the mechanism by which cellular senescence contributes to tissue dysfunction in aging and disease.

Abstract Identifying the relationships between chromosome structures, chromatin states, and gene expression is an overarching goal of nuclear organization studies. Because individual cells are highly variable at all three levels, it is essential to map all three modalities in the same single cell, a task that has been difficult to accomplish with existing tools. Here, we report the direct super-resolution imaging of over 3,660 chromosomal loci in single mouse embryonic stem cells (mESCs) by DNA seqFISH+, along with 17 chromatin marks by sequential immunofluorescence (IF) and the expression profile of 70 RNAs, in the same cells. We discovered that the nucleus is separated into zones defined by distinct combinatorial chromatin marks. DNA loci and nascent transcripts are enriched at the interfaces between specific nuclear zones, and the level of gene expression correlates with an association between active or nuclear speckle zones. Our analysis also uncovered several distinct mESCs subpopulations with characteristic combinatorial chromatin states that extend beyond known transcriptional states, suggesting that the metastable states of mESCs are more complex than previously appreciated. Using clonal analysis, we show that the global levels of some chromatin marks, such as H3K27me3 and macroH2A1 (mH2A1), are heritable over at least 3-4 generations, whereas other marks fluctuate on a faster time scale. The long-lived chromatin states may represent “hidden variables” that explain the observed functional heterogeneity in differentiation decisions in single mESCs. Our integrated spatial genomics approach can be used to further explore the existence and biological relevance of molecular heterogeneity within cell populations in diverse biological systems.

Recent single cell experiments have revealed significant heterogeneities at the levels of transcription, DNA methylation and chromosome organization in individual cells. However, existing method of profiling mRNAs effectively averages transcriptional dynamics over many hours due to hours-long life time of most mRNAs. To capture the instantaneous activity of the transcriptome that reflects the rapid regulatory changes in cells, we imaged up to 10,421 nascent transcription active sites (TAS) in single mouse embryonic stem cells using seqFISH followed by multiple rounds of single molecule FISH and immunofluorescence. We observed that nascent transcription active sites appear to be distributed on the surface of individual chromosome territories and are dispersed throughout the nucleus. In addition, there are significant variability in the number of active transcription sites in single cells, representing globally more active to quiescent states. These states interconverted on the time scale of 2 hours as determined by a single cell pulse-chase experiment. Thus, transcriptome level seqFISH experiments provide an unprecedented spatial and dynamic view of chromosome organization and global nascent transcription activity in single cells.