The human genome is segmented into topologically associating domains (TADs), but the role of this conserved organization during transient changes in gene expression is not known. Here we describe the distribution of progestin-induced chromatin modifications and changes in transcriptional activity over TADs in T47D breast cancer cells. Using ChIP-seq (chromatin immunoprecipitation combined with high-throughput sequencing), Hi-C (chromosome capture followed by high-throughput sequencing), and three-dimensional (3D) modeling techniques, we found that the borders of the ∼2000 TADs in these cells are largely maintained after hormone treatment and that up to 20% of the TADs could be considered as discrete regulatory units where the majority of the genes are either transcriptionally activated or repressed in a coordinated fashion. The epigenetic signatures of the TADs are homogeneously modified by hormones in correlation with the transcriptional changes. Hormone-induced changes in gene activity and chromatin remodeling are accompanied by differential structural changes for activated and repressed TADs, as reflected by specific and opposite changes in the strength of intra-TAD interactions within responsive TADs. Indeed, 3D modeling of the Hi-C data suggested that the structure of TADs was modified upon treatment. The differential responses of TADs to progestins and estrogens suggest that TADs could function as “regulons” to enable spatially proximal genes to be coordinately transcribed in response to hormones.

The sequence of a genome is insufficient to understand all genomic processes carried out in the cell nucleus. To achieve this, the knowledge of its three-dimensional architecture is necessary. Advances in genomic technologies and the development of new analytical methods, such as Chromosome Conformation Capture (3C) and its derivatives, provide unprecedented insights in the spatial organization of genomes. Here we present TADbit, a computational framework to analyze and model the chromatin fiber in three dimensions. Our package takes as input the sequencing reads of 3C-based experiments and performs the following main tasks: (i) pre-process the reads, (ii) map the reads to a reference genome, (iii) filter and normalize the interaction data, (iv) analyze the resulting interaction matrices, (v) build 3D models of selected genomic domains, and (vi) analyze the resulting models to characterize their structural properties. To illustrate the use of TADbit, we automatically modeled 50 genomic domains from the fly genome revealing differential structural features of the previously defined chromatin colors, establishing a link between the conformation of the genome and the local chromatin composition. TADbit provides three-dimensional models built from 3C-based experiments, which are ready for visualization and for characterizing their relation to gene expression and epigenetic states. TADbit is an open-source Python library available for download from https://github.com/3DGenomes/tadbit.

The human genome is segmented into Topologically Associating Domains (TADs), but the role of this conserved organization during transient changes in gene expression is not known. Here we described the distribution of Progestin-induced chromatin modifications and changes in transcriptional activity over TADs in T47D breast cancer cells. Using ChIP-Seq, Hi-C and 3D modelling techniques, we found that the borders of the ~2,000 TADs in these cells are largely maintained after hormone treatment but that some TADs operate as discrete regulatory units in which the majority of the genes are either transcriptionally activated or repressed upon hormone stimulus. The epigenetic signatures of the TADs are coordinately modified by hormone in correlation with the transcriptional changes. Hormone-induced changes in gene activity and chromatin remodeling are accompanied by differential structural changes for activated and repressed TADs. In response to hormone activated TADs exhibit higher density of internal contacts, while repressed TADs show less intra-TAD contacts. Integrative 3D modelling revealed that TADs structurally expanded if activated and compacted when repressed, and that this is accompanied by differential changes in their global accessibility. We thus propose that TADs function as “regulons” to enable spatially proximal genes to be coordinately transcribed in response to hormones.

The three-dimensional organization of chromosomes can influence transcription. However, the frequency and magnitude of these effects is still controversial. To determine how changes in chromosome positioning affect transcription across thousands of genes with minimal perturbation, we characterized nuclear organization and global gene expression in budding yeast containing growth-rate neutral chromosome fusions. We used computational modelling and single cell imaging to determine chromosome position and integrated these data with genome-wide transcriptional profiles from RNA sequencing. Chromosome displacement relative to the nuclear periphery has mild but widespread and significant effects on transcription. A 10% decrease in the time a gene spends near the nuclear periphery leads to a 10% increase in gene expression. Our study shows that basal transcriptional activity is sensitive to radial changes on chromosomal position, and provides support for the functional relevance of budding yeast chromosome-level three-dimensional organization in gene expression.

The genome is organized in functional compartments and structural domains at the submegabase scale. How within these domains interactions between numerous cis-acting enhancers and promoters regulate transcription remains an open question. Here, we determined chromatin folding and composition over several hundred kb around estrogen responsive genes in human breast cancer cell lines following hormone stimulation. Modeling of 5C data at 1.8 kb resolution was combined with quantitative 3D analysis of multicolor FISH measurements at 100 nm resolution and integrated with ChIP-seq data on transcription factor binding and histone modifications. We found that rapid estradiol induction of the progesterone gene (PGR) expression occurs in the context of pre-existing, cell type specific chromosomal architectures encompassing the 90 kb PGR coding region and an enhancer-spiked 5' 300 kb upstream genomic region. In response to estradiol, interactions between estrogen-receptor alpha (ERa) bound regulatory elements are re-enforced. While initial enhancer-gene contacts coincide with RNA Pol 2 binding and transcription initiation, sustained hormone stimulation promotes ER accumulation creating a regulatory hub stimulating transcript synthesis. In addition to implications for estrogen receptor signaling, we uncover that preestablished chromatin architectures efficiently regulate gene expression upon stimulation without the need for de-novo extensive rewiring of long- range chromatin interactions.

The sequence of a genome is insufficient to understand all genomic processes carried out in the cell nucleus. To achieve this, the knowledge of its three- dimensional architecture is necessary. Advances in genomic technologies and the development of new analytical methods, such as Chromosome Conformation Capture (3C) and its derivatives, now permit to investigate the spatial organization of genomes. However, inferring structures from raw contact data is a tedious process for shortage of available tools. Here we present TADbit, a computational framework to analyze and model the chromatin fiber in three dimensions. To illustrate the use of TADbit, we automatically modeled 50 genomic domains from the fly genome revealing differential structural features of the previously defined chromatin colors, establishing a link between the conformation of the genome and the local chromatin composition. More generally, TADbit allows to obtain three-dimensional models ready for visualization from 3C-based experiments and to characterize their relation to gene expression and epigenetic states. TADbit is open-source and available for download from http://www.3DGenomes.org.