Eukaryotic genomes are packaged into a 3-dimensional structure in the nucleus. Current methods for studying genome-wide structure are based on proximity ligation. However, this approach can fail to detect known structures, such as interactions with nuclear bodies, because these DNA regions can be too far apart to directly ligate. Accordingly, our overall understanding of genome organization remains incomplete. Here, we develop split-pool recognition of interactions by tag extension (SPRITE), a method that enables genome-wide detection of higher-order interactions within the nucleus. Using SPRITE, we recapitulate known structures identified by proximity ligation and identify additional interactions occurring across larger distances, including two hubs of inter-chromosomal interactions that are arranged around the nucleolus and nuclear speckles. We show that a substantial fraction of the genome exhibits preferential organization relative to these nuclear bodies. Our results generate a global model whereby nuclear bodies act as inter-chromosomal hubs that shape the overall packaging of DNA in the nucleus.

Aberrant protein aggregation is a hallmark of many age-related diseases, yet little is known about whether proteins aggregate with age in a non-disease setting. Using a systematic proteomics approach, we identified several hundred proteins that become more insoluble with age in the multicellular organism Caenorhabditis elegans. These proteins are predicted to be significantly enriched in β-sheets, which promote disease protein aggregation. Strikingly, these insoluble proteins are highly over-represented in aggregates found in human neurodegeneration. We examined several of these proteins in vivo and confirmed their propensity to aggregate with age. Different proteins aggregated in different tissues and cellular compartments. Protein insolubility and aggregation were significantly delayed or even halted by reduced insulin/IGF-1-signaling, which also slows aging. We found a significant overlap between proteins that become insoluble and proteins that influence lifespan and/or polyglutamine-repeat aggregation. Moreover, overexpressing one aggregating protein enhanced polyglutamine-repeat pathology. Together our findings indicate that widespread protein insolubility and aggregation is an inherent part of aging and that it may influence both lifespan and neurodegenerative disease.

Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is a recently identified coronavirus that causes the respiratory disease known as coronavirus disease 2019 (COVID-19). Despite the urgent need, we still do not fully understand the molecular basis of SARS-CoV-2 pathogenesis. Here, we comprehensively define the interactions between SARS-CoV-2 proteins and human RNAs. NSP16 binds to the mRNA recognition domains of the U1 and U2 splicing RNAs and acts to suppress global mRNA splicing upon SARS-CoV-2 infection. NSP1 binds to 18S ribosomal RNA in the mRNA entry channel of the ribosome and leads to global inhibition of mRNA translation upon infection. Finally, NSP8 and NSP9 bind to the 7SL RNA in the signal recognition particle and interfere with protein trafficking to the cell membrane upon infection. Disruption of each of these essential cellular functions acts to suppress the interferon response to viral infection. Our results uncover a multipronged strategy utilized by SARS-CoV-2 to antagonize essential cellular processes to suppress host defenses.

Identifying the relationships between chromosome structures, nuclear bodies, chromatin states and gene expression is an overarching goal of nuclear-organization studies1-4. Because individual cells appear to be highly variable at all these levels5, it is essential to map different modalities in the same cells. Here we report the imaging of 3,660 chromosomal loci in single mouse embryonic stem (ES) cells using DNA seqFISH+, along with 17 chromatin marks and subnuclear structures by sequential immunofluorescence and the expression profile of 70 RNAs. Many loci were invariably associated with immunofluorescence marks in single mouse ES cells. These loci form 'fixed points' in the nuclear organizations of single cells and often appear on the surfaces of nuclear bodies and zones defined by combinatorial chromatin marks. Furthermore, highly expressed genes appear to be pre-positioned to active nuclear zones, independent of bursting dynamics in single cells. Our analysis also uncovered several distinct mouse ES cell subpopulations with characteristic combinatorial chromatin states. Using clonal analysis, we show that the global levels of some chromatin marks, such as H3 trimethylation at lysine 27 (H3K27me3) and macroH2A1 (mH2A1), are heritable over at least 3-4 generations, whereas other marks fluctuate on a faster time scale. This seqFISH+-based spatial multimodal approach can be used to explore nuclear organization and cell states in diverse biological systems.

A.Q. conceived of this project with M.G., led the development and optimization of the RD-SPRITE method, performed experiments, analyzed and interpreted data, generated figures, oversaw all aspects of the project, and wrote the paper.J.W.J. designed, performed, acquired, and analyzed all the RNA-FISH, DNA-FISH, IF, IF/RNA-FISH experiments and made all imaging figures; performed all LNA-related experiments and generated the figures and results; performed actinomycin D and Flavopiridol treatments and analysis; performed imaging of SHARP and Kcnq1ot1/Nap1l4 localization; contributed to the writing of the centromeric RNA hub section, model schematics/illustrations, and provided comments and edits on the entire manuscript.P.B. developed and optimized the RD-SPRITE protocol, performed SPRITE experiments, analyzed and interpreted data, contributed to data visualization, figure presentation, model schematics/illustrations, and wrote the paper.N.O.led the effort to analyze and interpret data, wrote software, created new methods for data analysis and visualization, performed analysis and visualization on the data and contributed major findings and results, created main and supplemental figures, and contributed to the initial draft of paper, model schematics/ illustrations, and reviewed and edited the manuscript.A.K.B. performed all Kcnq1ot1 biochemical and functional experiments, including CRISPRi knockdowns, TSA treatments, H3K27ac ChIP-seq and functional characterizations; worked with A.C. to develop and characterize the inducible Kcnq1ot1 cell line and to generate homozygous deletions of the SHARP Binding Site within Kcnq1ot1; worked with MRB to purify SHARP and map it to Kcnq1ot1.I.N.G. performed the data processing and analysis of the actinomycin D-treated SPRITE datasets; developed statistical methods for multiway RNA analyses, created new methods for data analysis and visualization; wrote scripts and constructed pipelines that enabled data curation; wrote and provided comments and edits for the manuscript, figures, supplemental tables, and methods.M.R.B. performed the actinomycin D RD-SPRITE and DNA-SPRITE experiments; performed analysis on the H3K27ac ChIP-seq; developed the engineered SHARP lines for CLAP and methods for purification of SHARP; worked with A.K.B. to perform SHARP purifications for Kcnq1ot1 binding; advised and helped to develop and optimize the RNA molecular biology of the RD-SPRITE method in this project.P.C. led the effort on the data processing and curation, writing scripts and constructing pipelines that enabled data interpretation of the RD-SPRITE dataset; was responsible for gene, repeat, and allele annotation as well as validation and producing several QC metrics; contributed to experimental optimization of the RNA-DNA SPRITE protocol.A.C. developed all engineered cell lines used in this study, including the doxycycline inducible Xist cell lines, Kcnq1ot1 lines, SHARP binding site deletions, and dCas9 cell lines.Y.M. performed all live-cell 3D-SIM imaging and analysis of FL-SHARP and ΔRRM-SHARP localization.J.T. helped develop and maintain engineered cell lines used in this study; aided in the preparation of samples used in this study.K.P. provided guidance and support on imaging, analysis, ideas, and discussions on the paper.M.G. conceived of this project with S.A.Q. and oversaw all experiments and analysis; performed computational analysis and generated scripts for analyzing the RD-SPRITE data; and wrote the paper.

The Xist long noncoding RNA orchestrates X chromosome inactivation, a process that entails chromosome-wide silencing and remodeling of the three-dimensional (3D) structure of the X chromosome. Yet, it remains unclear whether these changes in nuclear structure are mediated by Xist and whether they are required for silencing. Here, we show that Xist directly interacts with the Lamin B receptor, an integral component of the nuclear lamina, and that this interaction is required for Xist-mediated silencing by recruiting the inactive X to the nuclear lamina and by doing so enables Xist to spread to actively transcribed genes across the X. Our results demonstrate that lamina recruitment changes the 3D structure of DNA, enabling Xist and its silencing proteins to spread across the X to silence transcription.

ABSTRACT In eukaryotes, the nucleus is organized into a three dimensional structure consisting of both local interactions such as those between enhancers and promoters, and long-range higher-order structures such as nuclear bodies. This organization is central to many aspects of nuclear function, including DNA replication, transcription, and cell cycle progression. Nuclear structure intrinsically occurs within single cells; however, measuring such a broad spectrum of 3D DNA interactions on a genome-wide scale and at the single cell level has been a great challenge. To address this, we developed single-cell split-pool recognition of interactions by tag extension (scSPRITE), a new method that enables measurements of genome-wide maps of 3D DNA structure in thousands of individual nuclei. scSPRITE maximizes the number of DNA contacts detected per cell enabling high-resolution genome structure maps within each cells and is easy-to-use and cost-effective. scSPRITE accurately detects chromosome territories, active and inactive compartments, topologically associating domains (TADs), and higher-order structures within single cells. In addition, scSPRITE measures cell-to-cell heterogeneity in genome structure at different levels of resolution and shows that TADs are dynamic units of genome organization that can vary between different cells within a population. scSPRITE will improve our understanding of nuclear architecture and its relationship to nuclear function within an individual nucleus from complex cell types and tissues containing a diverse population of cells.

ABSTRACT Eukaryotic genomes are packaged into a 3-dimensional structure in the nucleus of each cell. There are currently two distinct views of genome organization that are derived from different technologies. The first view, derived from genome-wide proximity ligation methods (e.g. Hi-C), suggests that genome organization is largely organized around chromosomes. The second view, derived from in situ imaging, suggests a central role for nuclear bodies. Yet, because microscopy and proximity-ligation methods measure different aspects of genome organization, these two views remain poorly reconciled and our overall understanding of how genomic DNA is organized within the nucleus remains incomplete. Here, we develop Split-Pool Recognition of Interactions by Tag Extension (SPRITE), which moves away from proximity-ligation and enables genome-wide detection of higher-order DNA interactions within the nucleus. Using SPRITE, we recapitulate known genome structures identified by Hi-C and show that the contact frequencies measured by SPRITE strongly correlate with the 3-dimensional distances measured by microscopy. In addition to known structures, SPRITE identifies two major hubs of inter-chromosomal interactions that are spatially arranged around the nucleolus and nuclear speckles, respectively. We find that the majority of genomic regions exhibit preferential spatial association relative to one of these nuclear bodies, with regions that are highly transcribed by RNA Polymerase II organizing around nuclear speckles and transcriptionally inactive and centromere-proximal regions organizing around the nucleolus. Together, our results reconcile the two distinct pictures of nuclear structure and demonstrate that nuclear bodies act as inter-chromosomal hubs that shape the overall 3-dimensional packaging of genomic DNA in the nucleus.

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.

Expression of T Cell Factor-1 (TCF1), encoded by Tcf7, regulates lineage fate decisions during T cell development. Here we demonstrate that E-proteins control the threshold of TCF1 expression required for development of T cells. E-proteins bind to five elements (EPEs) in the Tcf7 locus. The third element, EPE3, interacts directly with Tcf7 promoter in Hi-ChIP analyses, suggesting it is an active enhancer. CRISPR-ablation of EPE3 reduces TCF1 protein expression in precursor thymocytes by 2-fold and dramatically impairs development of αβ and γδ T cells. Single cell gene expression analysis identified differentiation blocks at multiple CD4-CD8- stages and subsequent transition to CD4+CD8+ stage. These data identify E-proteins and EPE3 as critical for the optimal TCF1 expression required for T cell development.