The structure of the genome Beyond the sequence of the genome, its three-dimensional structure is important in regulating gene expression. To understand cell-to-cell variation, the structure needs to be understood at a single-cell level. Chromatin conformation capture methods have allowed characterization of genome structure in haploid cells. Now, Tan et al. report a method called Dip-C that allows them to reconstruct the genome structures of single diploid human cells. Their examination of different cell types highlights the tissue dependence of three-dimensional genome structures. Science , this issue p. 924

Making an unbiased library Sequencing the genome of single cells gives insight into issues such as cell-to-cell heterogeneity and genome instability. Key to single-cell sequencing techniques are whole-genome amplification (WGA) methods that provide sufficient DNA for next-generation sequencing. Current WGA methods have been hampered by low accuracy and spatial resolution of gene copy numbers and by low amplification fidelity. Chen et al. report an improved single-cell WGA method, Linear Amplification via Transposon Insertion (LIANTI). The DNA is randomly fragmented by Tn5 transposition of a transposon that includes a T7 promoter, which allows linear amplification. The authors used the method to determine the spectrum of single-nucleotide variations in a single human cell after ultraviolet radiation. Science , this issue p. 189

Abstract Expression of one out of >1000 olfactory receptor (OR) genes is stochastic but, yet, spatially organized in stereotypic anatomical segments, or “zones”, along the dorsoventral axis of the mouse olfactory epithelium. We discovered that zonal OR expression is specified by OR chromatin structure and genome architecture during olfactory neuron differentiation. Specifically, across every zone dorsally expressed ORs have higher levels of heterochromatic marks and long-range contacts than ORs expressed ventrally. However, OR heterochromatin levels and frequency of genomic contacts between ORs gradually increase towards ventral zones. Consequently, ORs from dorsal indexes accumulate high H3K9me3/H3K79me3 enrichment and become silenced in ventral zones, while ORs from ventral indexes lack activating long-range genomic interactions and, thus, cannot be chosen in dorsal segments. This process is regulated by NFIA, B, and X gradients along the dorsoventral axis, triple deletion of which causes homeotic transformations on zonal OR expression, heterochromatin formation, and genomic compartmentalization.

SUMMARY Both transcription and 3D organization of the mammalian genome play critical roles in neurodevelopment and its disorders. However, 3D genome structures of single brain cells have not been solved; little is known about the dynamics of single-cell transcriptome and 3D genome after birth. Here we generate a transcriptome atlas of 3,517 cells and a 3D genome atlas of 3,646 cells from the developing mouse cortex and hippocampus, using our high-resolution MALBAC-DT and Dip-C methods. In adults, 3D genome “structure types” delineate all major cell types, with high correlation between A/B compartments and gene expression. During development, both transcriptome and 3D genome are extensively transformed in the first postnatal month. In neurons, 3D genome is rewired across multiple scales, correlated with gene expression modules and independent of sensory experience. Finally, we examine allele-specific structure of imprinted genes, revealing local and chromosome-wide differences. These findings uncover a previously unknown dimension of neurodevelopment. HIGHLIGHTS Transcriptomes and 3D genome structures of single brain cells (both neurons and glia) in the developing mouse forebrain Cell type identity encoded in the 3D wiring of the mammalian genome (“structure types”) Major transformation of both transcriptome and 3D genome during the first month of life, independent of sensory experience Allele-specific 3D structure at 7 imprinted gene loci, including one that spans a whole chromosome

Summary Olfactory sensory neurons (OSNs) are functionally defined by their expression of a unique odorant receptor (OR). Mechanisms underlying singular OR expression are well studied, and involve a massive cross-chromosomal enhancer interaction network. Trace amine-associated receptors (TAARs) form a distinct family of olfactory receptors, and here we find that mechanisms regulating Taar gene choice display many unique features. The epigenetic signature of Taar genes in TAAR OSNs is different from that in OR OSNs. We further identify that two TAAR enhancers conserved across placental mammals are absolutely required for expression of the entire Taar gene repertoire. Deletion of either enhancer dramatically decreases the expression probabilities of different Taar genes, while deletion of both enhancers completely eliminates the TAAR OSN populations. In addition, both of the enhancers are sufficient to drive transgene expression in the partially overlapped TAAR OSNs. We also show that the TAAR enhancers operate in cis to regulate Taar gene expression. Our findings reveal a coordinated control of Taar gene choice in OSNs by two remote enhancers, and provide an excellent model to study molecular mechanisms underlying formation of an olfactory subsystem.

In the mouse olfactory system, spatially regulated expression of > 1,000 olfactory receptors (ORs) - a phenomenon termed "zones" - forms a topological map in the main olfactory epithelium (MOE). However, the zones of most ORs are currently unknown. By sequencing mRNA of 12 isolated MOE pieces, we mapped out zonal information for 1,033 OR genes with an estimated accuracy of 0.3 zones, covering 81% of all intact OR genes and 99.4% of total OR mRNA abundance. Zones tend to vary gradually along chromosomes. We further identified putative non-OR genes that may exhibit zonal expression.

The cerebellum contains most of the neurons in the human brain, and exhibits unique modes of development, malformation, and aging. For example, granule cells-the most abundant neuron type-develop unusually late and exhibit unique nuclear morphology. Here, by developing our high-resolution single-cell 3D genome assay Dip-C into population-scale (Pop-C) and virus-enriched (vDip-C) modes, we were able to resolve the first 3D genome structures of single cerebellar cells, create life-spanning 3D genome atlases for both human and mouse, and jointly measure transcriptome and chromatin accessibility during development. We found that while the transcriptome and chromatin accessibility of human granule cells exhibit a characteristic maturation pattern within the first year of postnatal life, 3D genome architecture gradually remodels throughout life into a non-neuronal state with ultra-long-range intra-chromosomal contacts and specific inter-chromosomal contacts. This 3D genome remodeling is conserved in mice, and robust to heterozygous deletion of chromatin remodeling disease-associated genes (Chd8 or Arid1b). Together these results reveal unexpected and evolutionarily-conserved molecular processes underlying the unique development and aging of the mammalian cerebellum.

By circumventing cellular heterogeneity, single cell omics have now been widely utilized for cell typing in human tissues, culminating with the undertaking of human cell atlas aimed at characterizing all human cell types. However, more important are the probing of gene regulatory networks, underlying chromatin architecture and critical transcription factors for each cell type. Here we report the Genomic Architecture of Cells in Tissues (GeACT), a comprehensive genomic data base that collectively address the above needs with the goal of understanding the functional genome in action. GeACT was made possible by our novel single-cell RNA-seq (MALBAC-DT) and ATAC-seq (METATAC) methods of high detectability and precision. We exemplified GeACT by first studying representative organs in human mid-gestation fetus. In particular, correlated gene modules (CGMs) are observed and found to be cell-type-dependent. We linked gene expression profiles to the underlying chromatin states, and found the key transcription factors for representative CGMs.### Competing Interest StatementA.R.C., D.F.L., and X.S.X. are inventors on the patent PCT/US18/34689 filed by President and Fellows of Harvard College that covers MALBAC-DT. L.T., D.X., and X.S.X. are inventors on a patent WO2018217912A1 filed by President and Fellows of Harvard College that covers METATAC.

Abstract Inside human nuclei, genes are transcribed within a highly packed genome, whose organization is facilitated by cohesin-mediated loop extrusion. However, whether cohesin-mediated loop extrusion participates in transcription is unknown. Here we report that the cohesin-mediated loop extrusion participates in transcription by forming a topoisomerases-regulated transcription elongation loop (TEL), in which cohesin is stalled at the transcription start site (TSS) and gradually extrudes loops asymmetrically until reaching the transcription termination site (TTS). By improving the spatial resolution of single-cell 3D genome mapping to 5 kb with micrococcal nuclease (MNase) in our new single-cell Micro-C (scMicro-C) method, we directly observed the loop expansion of TELs. Furthermore, TEL’s biological function is to ensure high transcriptional burst frequencies by fast re-initiation of RNA Pol II. One-Sentence Summary Single-cell high-resolution 3D genome structures reveal that cohesin-mediated loop extrusion participates in transcription.