Three-dimensional (3D) genome organization becomes altered during development, aging, and disease1-23, but the factors regulating chromatin topology are incompletely understood and currently no technology can efficiently screen for new regulators of multiscale chromatin organization. Here, we developed an image-based high-content screening platform (Perturb-tracing) that combines pooled CRISPR screen, a new cellular barcode readout method (BARC-FISH), and chromatin tracing. We performed a loss-of-function screen in human cells, and visualized alterations to their genome organization from 13,000 imaging target-perturbation combinations, alongside perturbation-paired barcode readout in the same single cells. Using 1.4 million 3D positions along chromosome traces, we discovered tens of new regulators of chromatin folding at different length scales, ranging from chromatin domains and compartments to chromosome territory. A subset of the regulators exhibited 3D genome effects associated with loop-extrusion and A-B compartmentalization mechanisms, while others were largely unrelated to these known 3D genome mechanisms. We found that the ATP-dependent helicase CHD7, the loss of which causes the congenital neural crest syndrome CHARGE24 and a chromatin remodeler previously shown to promote local chromatin openness25-27, counter-intuitively compacts chromatin over long range in different genomic contexts and cell backgrounds including neural crest cells, and globally represses gene expression. The DNA compaction effect of CHD7 is independent of its chromatin remodeling activity and does not require other protein partners. Finally, we identified new regulators of nuclear architectures and found a functional link between chromatin compaction and nuclear shape. Altogether, our method enables scalable, high-content identification of chromatin and nuclear topology regulators that will stimulate new insights into the 3D genome functions, such as global gene and nuclear regulation, in health and disease.

Human osteoblasts can be induced from somatic cells by introducing defined factors, however, the strategy limits cells therapeutic applications for its multi-factor and complicated genetic manipulations that may bring uncertainty into the genome. Another important cell type in bone metabolism, osteocytes, which play a central role in regulating the dynamic nature of bone in all its diverse functions, have not been obtained from transdifferetiation so far. Herein, we have established procedures to convert human fibroblast directly into osteocyte-like and osteoblast-like cells using a single transcription factor, Runx2 and chemical cocktails by activating Wnt and cAMP/PKA pathways. These induced osteoblast-like cells express osteogenic markers and generate mineralized nodule deposition. A good performance of bone formation from these cells was observed in subcutaneous site of mouse at 4 weeks post-transplantation. Moreover, further studies convert human fibroblasts into osteocyte-like cells by orchestrating timing of the aforementioned chemical cocktails exposure. These osteocyte-like cells express osteocyte-specific markers and display characteristic morphology features of osteocytes. In summary, this study provides a promising strategy for cell-based therapy in bone regenerative medicine by direct reprogramming of fibroblasts into osteocytes and osteoblasts.

Abstract Background Biologists long recognized that the genetic information encoded in DNA leads to trait innovation via gene regulatory network (GRN) in development. Results Here, we generated paired expression and chromatin accessibility data during rumen and esophagus development in sheep and revealed 1,601 active ruminant-specific conserved non-coding elements (active-RSCNEs). To interpret the function of these active-RSCNEs, we developed a Conserved Non-coding Element interpretation method by gene Regulatory network (CNEReg) to define toolkit transcription factors (TTF) and model its regulation on rumen specific gene via batteries of active-RSCNEs during development. Our developmental GRN reveals 18 TTFs and 313 active-RSCNEs regulating the functional modules of the rumen and identifies OTX1, SOX21, HOXC8, SOX2, TP63, PPARG and 16 active-RSCNEs that functionally distinguish the rumen from the esophagus. Conclusions We argue that CNEReg is an attractive systematic approach to integrate evo-devo concepts with omics data to understand how gene regulation evolves and shapes complex traits.