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.

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.

Abstract Cartilage is a dynamic tissue during development, repair, and disease. Within developing endochondral bones, chondrocytes at growth plate edges transition to osteoblasts, adipocytes, and other connective tissue in the marrow cavity, and in diseases such as Multiple Osteochondromas (MO) chondrocytes form abnormally around growth plates and contribute to ectopic bone. On the other hand, the inability to form new chondrocytes to maintain damaged joints contributes to the high incidence of osteoarthritis. In order to assess the ability of zebrafish to regenerate cartilage, we developed a nitroreductase-based cartilage ablation model. Following ablation at larval to adult stages, we observed new chondrocytes forming around the dead cartilage matrix, with cartilage outgrowths in ablated endochondral bones resembling the exostoses of MO. By generating a perichondrium-restricted hyal4:GFP transgenic line, we show that new chondrocytes arise from the perichondrium surrounding the ablated cartilage. In addition, we observe enriched expression of the retinoic acid (RA) synthesis gene aldh1a2 in the perichondrium following ablation, and the RA degrading enzyme gene cyp26b1 in newly forming chondrocytes. Consistent with RA signaling suppressing chondrogenesis, treatment with the RA receptor gamma agonist palovarotene, which has been used to treat MO, prevented ablation-induced chondrogenesis. Although we find that BMP signaling is also required for ablation-induced chondrogenesis, we show a distinct role for RA signaling in suppressing sox9a expression and chondrogenesis. Moreover, palovarotene resulted in a near complete loss of growth plates in uninjured zebrafish, which was due to the precocious dedifferentiation and exit of chondrocytes from the growth plate. Our findings suggest a common chondrocyte suppressive role of RA signaling within the developing growth plates and regenerating perichondrium, which may explain the growth plate defects observed when using RA agonists to treat MO.