Chromatin is important for the regulation of transcription and other functions, yet the diversity of chromatin composition and the distribution along chromosomes are still poorly characterized. By integrative analysis of genome-wide binding maps of 53 broadly selected chromatin components in Drosophila cells, we show that the genome is segmented into five principal chromatin types that are defined by unique yet overlapping combinations of proteins and form domains that can extend over > 100 kb. We identify a repressive chromatin type that covers about half of the genome and lacks classic heterochromatin markers. Furthermore, transcriptionally active euchromatin consists of two types that differ in molecular organization and H3K36 methylation and regulate distinct classes of genes. Finally, we provide evidence that the different chromatin types help to target DNA-binding factors to specific genomic regions. These results provide a global view of chromatin diversity and domain organization in a metazoan cell.

The nuclear lamina (NL) interacts with hundreds of large genomic regions termed lamina associated domains (LADs). The dynamics of these interactions and the relation to epigenetic modifications are poorly understood. We visualized the fate of LADs in single cells using a "molecular contact memory" approach. In each nucleus, only ∼30% of LADs are positioned at the periphery; these LADs are in intermittent molecular contact with the NL but remain constrained to the periphery. Upon mitosis, LAD positioning is not detectably inherited but instead is stochastically reshuffled. Contact of individual LADs with the NL is linked to transcriptional repression and H3K9 dimethylation in single cells. Furthermore, we identify the H3K9 methyltransferase G9a as a regulator of NL contacts. Collectively, these results highlight principles of the dynamic spatial architecture of chromosomes in relation to gene regulation.

Mammalian interphase chromosomes interact with the nuclear lamina (NL) through hundreds of large lamina-associated domains (LADs). We report a method to map NL contacts genome-wide in single human cells. Analysis of nearly 400 maps reveals a core architecture consisting of gene-poor LADs that contact the NL with high cell-to-cell consistency, interspersed by LADs with more variable NL interactions. The variable contacts tend to be cell-type specific and are more sensitive to changes in genome ploidy than the consistent contacts. Single-cell maps indicate that NL contacts involve multivalent interactions over hundreds of kilobases. Moreover, we observe extensive intra-chromosomal coordination of NL contacts, even over tens of megabases. Such coordinated loci exhibit preferential interactions as detected by Hi-C. Finally, the consistency of NL contacts is inversely linked to gene activity in single cells and correlates positively with the heterochromatic histone modification H3K9me3. These results highlight fundamental principles of single-cell chromatin organization.Video AbstracteyJraWQiOiI4ZjUxYWNhY2IzYjhiNjNlNzFlYmIzYWFmYTU5NmZmYyIsImFsZyI6IlJTMjU2In0.eyJzdWIiOiI4ODQ5MWUxMzY3ZjJjYzMyZGY0ZTUwNDM4ZDkzODI2YiIsImtpZCI6IjhmNTFhY2FjYjNiOGI2M2U3MWViYjNhYWZhNTk2ZmZjIiwiZXhwIjoxNjc4NDQ3NzA5fQ.WDISeQbMars3afd3xU31ad0as2CapR6MBdvrmShLZbNLL7pc4Oa_VcEGoid_8nFRk8gToTt_3kYc1VG3v53Dp3VPaqIy-d5IFFkTbJdYat98x2tWpWt6ONCnsutlxJI_Il6mHghaVyN8qydH-fumo9rQ_uLcfIWaVkgcmSs1YFmIj5IxiAlo0WQNe2ckYcP4hP2AM-VJvaLwOyGINV8Z78bXOw73T0RROTCsI6K5HfTTtleYucPrYM4NLiV2Jl7BM50WQYNPtJZRWmFvAHdCqPh1Cf3CFxSMWblyFINEwDfQhB7L7lN8jlQAO-DGSgRGoqmWnmG6eqcZUGQTFybHXA(mp4, (21.94 MB) Download video

In metazoans, the nuclear lamina is thought to play an important role in the spatial organization of interphase chromosomes, by providing anchoring sites for large genomic segments named lamina-associated domains (LADs). Some of these LADs are cell-type specific, while many others appear constitutively associated with the lamina. Constitutive LADs (cLADs) may contribute to a basal chromosome architecture. By comparison of mouse and human lamina interaction maps, we find that the sizes and genomic positions of cLADs are strongly conserved. Moreover, cLADs are depleted of synteny breakpoints, pointing to evolutionary selective pressure to keep cLADs intact. Paradoxically, the overall sequence conservation is low for cLADs. Instead, cLADs are universally characterized by long stretches of DNA of high A/T content. Cell-type specific LADs also tend to adhere to this “A/T rule” in embryonic stem cells, but not in differentiated cells. This suggests that the A/T rule represents a default positioning mechanism that is locally overruled during lineage commitment. Analysis of paralogs suggests that during evolution changes in A/T content have driven the relocation of genes to and from the nuclear lamina, in tight association with changes in expression level. Taken together, these results reveal that the spatial organization of mammalian genomes is highly conserved and tightly linked to local nucleotide composition.

Dosage compensation in Drosophila is dependent on MSL proteins and involves hypertranscription of the male X chromosome, which ensures equal X-linked gene expression in both sexes. Here, we report the purification of enzymatically active MSL complexes from Drosophila embryos, Schneider cells, and human HeLa cells. We find a stable association of the histone H4 lysine 16-specific acetyltransferase MOF with the RNA/protein containing MSL complex as well as with an evolutionary conserved complex. We show that the MSL complex interacts with several components of the nuclear pore, in particular Mtor/TPR and Nup153. Strikingly, knockdown of Mtor or Nup153 results in loss of the typical MSL X-chromosomal staining and dosage compensation in Drosophila male cells but not in female cells. These results reveal an unexpected physical and functional connection between nuclear pore components and chromatin regulation through MSL proteins, highlighting the role of nucleoporins in gene regulation in higher eukaryotes.

Chromosome segregation errors during cell divisions generate aneuploidies and micronuclei, which can undergo extensive chromosomal rearrangements such as chromothripsis1-5. Selective pressures then shape distinct aneuploidy and rearrangement patterns-for example, in cancer6,7-but it is unknown whether initial biases in segregation errors and micronucleation exist for particular chromosomes. Using single-cell DNA sequencing8 after an error-prone mitosis in untransformed, diploid cell lines and organoids, we show that chromosomes have different segregation error frequencies that result in non-random aneuploidy landscapes. Isolation and sequencing of single micronuclei from these cells showed that mis-segregating chromosomes frequently also preferentially become entrapped in micronuclei. A similar bias was found in naturally occurring micronuclei of two cancer cell lines. We find that segregation error frequencies of individual chromosomes correlate with their location in the interphase nucleus, and show that this is highest for peripheral chromosomes behind spindle poles. Randomization of chromosome positions, Cas9-mediated live tracking and forced repositioning of individual chromosomes showed that a greater distance from the nuclear centre directly increases the propensity to mis-segregate. Accordingly, chromothripsis in cancer genomes9 and aneuploidies in early development10 occur more frequently for larger chromosomes, which are preferentially located near the nuclear periphery. Our findings reveal a direct link between nuclear chromosome positions, segregation error frequencies and micronucleus content, with implications for our understanding of tumour genome evolution and the origins of specific aneuploidies during development.

Abstract The early mammalian conceptus (blastocyst) contains two supporting extraembryonic tissues - the trophectoderm and the primitive endoderm (PrE) - that encase and guide the epiblast (Epi) to eventually form the all body. Modifications of the conceptus exposed key genes regulating these tissues co-development. However, the combinations of signalling pathways underlying the interplay of PrE and Epi remains elusive. Stem cell-based models including embryoid bodies and blastoids can be generated in large numbers and subjected to high-content screens. Here, we use combinatorial screens of proteins, GPCR ligands and small molecules to rapidly (72 hours) and efficiently (80%) guide embryoid bodies to form a three-dimensional PrE-/Epiblast-like niche in chemically-defined conditions (gel-free, serum-free). This bipotent niche spontaneously progresses, without growth factors, to form a pro-amniotic cavity surrounded by a polarized Epi covered with parietal and visceral endoderm-like cells. In blastoids, these molecules enhance the ratio and number of Gata6+/Nanog+ cells and promote the survival, expansion and morphogenesis of a post-implantation-like Epi in vitro . Altogether, modelling early development in chemically-defined conditions delineates the pathways sufficient to form a functional PrE/Epiblast niche that fuels post-implantation development.

The regulation of gene expression is governed at multiple levels of chromatin organization. However, how coordination is achieved remains relatively unexplored. Here we present Dam&ChIC, a method that enables time-resolved and multifactorial chromatin profiling at high resolution in single cells. Analysis of genome-lamina interactions in haploid cells reveals highly dynamic spatial repositioning of small domains during interphase and partial inheritance over mitosis. Dam&ChIC applied to study random X-inactivation uncovers that spreading of H3K27me3 on the inactive X chromosome (Xi) overlaps with remarkable genome-lamina detachment. We find that genome-lamina detachment precedes H3K27me3 accumulation on the Xi and occurs upon mitotic exit. Domains that retain genome-lamina interactions are marked by high pre-existing H3K9me3 levels. These findings imply an important role for genome-lamina interactions in regulating H3K27me3 accumulation on the Xi. We anticipate that Dam&ChIC will be instrumental in unraveling the interconnectivity and order of chromatin events underlying cell-state changes in single cells.

Abstract The very first days of mammalian embryonic development are accompanied by epigenetic reprogramming and extensive changes in nuclear organization. In particular, genomic regions located at the periphery of the nucleus, termed lamina-associated domains (LADs), undergo major rearrangements after fertilization. However, the role of LADs in regulating gene expression as well as the interplay with various chromatin marks during preimplantation development remains elusive. In this study, we obtained single-cell LAD profiles coupled with the corresponding gene expression readout throughout the first days of mouse development. We detect extensive cell-cell LAD variability at the 2-cell stage, which surprisingly does not seem to functionally affect gene expression. This suggests an unusual uncoupling between 3D-nuclear genome organization and gene expression during totipotent developmental stages. By analyzing LAD dynamics and chromatin states across early developmental stages in an allelic-specific manner, we identify genomic regions that transiently detach from the nuclear lamina and are enriched by non-canonical H3K27me3. Upon maternal knock-out of a component of the Polycomb repressive complex 2 and concomitant loss of H3K27me3 during early embryogenesis, these regions relocate to the lamina at the 2-cell stage. Our results suggest that H3K27me3 is the prime determinant in establishing the atypical distribution of the genome at the nuclear periphery during the first days of embryonic development. This study provides insight into the molecular mechanisms regulating nuclear organization of parental genomes during very early mammalian development.

Abstract Recent advances in single-cell sequencing technologies have enabled simultaneous measurement of multiple cellular modalities, including various combinations of transcriptome, genome and epigenome. However, comprehensive profiling of the histone post-translational modifications that influence gene expression at single-cell resolution has remained limited. Here, we introduce EpiDamID, an experimental approach to target a diverse set of chromatin types by leveraging the binding specificities of genetically engineered proteins. By fusing Dam to single-chain variable fragment antibodies, engineered chromatin reader domains, or endogenous chromatin-binding proteins, we render the DamID technology and all its implementations compatible with the genome-wide identification of histone post-translational modifications. Importantly, this enables the joint analysis of chromatin marks and transcriptome in a variety of biological systems at the single-cell level. In this study, we use EpiDamID to profile single-cell Polycomb occupancy in mouse embryoid bodies and provide evidence for hierarchical gene regulatory networks. We further demonstrate the applicability of this method to in vivo systems by mapping H3K9me3 in early zebrafish embryogenesis, and detect striking heterochromatic regions specifically in the notochord. Overall, EpiDamID is a new addition to a vast existing toolbox for obtaining systematic insights into the role of chromatin states during dynamic cellular processes.