Recent studies have demonstrated that MyoD initiates a feed-forward regulation of skeletal muscle gene expression, predicting that MyoD binds directly to many genes expressed during differentiation. We have used chromatin immunoprecipitation and high-throughput sequencing to identify genome-wide binding of MyoD in several skeletal muscle cell types. As anticipated, MyoD preferentially binds to a VCASCTG sequence that resembles the in vitro-selected site for a MyoD:E-protein heterodimer, and MyoD binding increases during differentiation at many of the regulatory regions of genes expressed in skeletal muscle. Unanticipated findings were that MyoD was constitutively bound to thousands of additional sites in both myoblasts and myotubes, and that the genome-wide binding of MyoD was associated with regional histone acetylation. Therefore, in addition to regulating muscle gene expression, MyoD binds genome wide and has the ability to broadly alter the epigenome in myoblasts and myotubes.

Abstract Understanding chromatin organization requires integrating measurements of genome connectivity and physical structure. Prior work demonstrates that RAD21 depletion results in the complete loss of topologically associated and loop domains on Hi-C, but the corresponding change in physical structure has not been studied using electron microscopy. Pairing chromatin scanning transmission electron tomography with Hi-C, we study the role of cohesin in regulating the spatially resolved, conformationally defined chromatin packing domains. We find that only 20% of packing domains are lost on electron microscopy upon RAD21 depletion with the effect primarily on small, poorly packed (nascent) domains. Overall, this contrasts with the prevailing understanding of genome regulation, indicating that while cohesin influences domain formation, non-cohesin mediated mechanisms predominantly regulate the 3D genomic physical structure.

Myogenesis, the progression of proliferating skeletal myoblasts to terminally differentiated myotubes, regulates thousands of target genes. Uninterrupted linear arrays of such genes are differentially associated with specific chromosomes, suggesting chromosome specific regulatory roles in myogenesis. Rhabdomyosarcoma (RMS), a tumor of skeletal muscle, shares common features with normal muscle cells. We hypothesized that RMS and myogenic cells possess differences in chromosomal organization related to myogenic gene arrangement. We compared the organizational characteristics of chromosomes 2 and 18, chosen for their difference in myogenic gene arrangement, in cultured RMS cell lines and normal myoblasts and myotubes. We found chromosome-specific differences in organization during normal myogenesis, with increased area occupied and a shift in peripheral localization specifically for chromosome 2. Most strikingly, we found a differentiation-dependent difference in positioning of chromosome 2 relative to the nuclear axis, with preferential positioning along the major nuclear axis present only in myotubes. RMS cells demonstrated no preference for such axial positioning, but induced differentiation through transfection of the pro-myogenic miRNA miR-206 resulted in an increase of major axial positioning of chromosome 2. Our findings identify both a differentiation-dependent, chromosome-specific change in organization in normal myogenesis, and highlight the role of chromosomal spatial organization in myogenic differentiation.

Abstract Centromeres are known to cluster around nucleoli in drosophila and mammalian cells. However, the functional significance of nucleoli-centromere interaction remains underexplored. We hypothesize that if this conserved interaction is functionally important, it should be dynamic under different physiological and pathological conditions. We examined the nucleolar structure and centromeres at various differentiation stages using cell culture models. The results show dynamic changes of nucleolar number, area, and nucleoli-centromere interactions at differentiation stages and in cancer cells. Embryonic stem cells usually have a single large nucleolus, which associates with a high percentage of centromeres. As cells differentiate into intermediate states, the nucleolar number increases and the association with centromeres decreases. In terminally differentiated cells, including myotubes, neurons and keratinocytes, the number of nucleoli and their association with centromeres are at the lowest. Cancer cells demonstrate the pattern of nucleoli number and nucleoli-centromere association that is akin to proliferative less differentiated cell types, suggesting that nucleolar reorganization and changes in nucleoli-centromere interactions may help facilitate malignant transformation. This idea is supported in a case of pediatric rhabdomyosarcoma, in which induced differentiation inhibits cell proliferation and reduces nucleolar number and centromere association. These findings suggest active roles of nucleolar structure in centromere function and genome organization critical for cellular function in both normal development and cancer.

In single cells, variably sized nanoscale chromatin structures are observed, but it is unknown whether these form a cohesive framework that regulates RNA transcription. Here, we demonstrate that the human genome is an emergent, self-assembling, reinforcement learning system. Conformationally defined heterogeneous, nanoscopic packing domains form by the interplay of transcription, nucleosome remodeling, and loop extrusion. We show that packing domains are not topologically associated domains. Instead, packing domains exist across a structure-function life cycle that couples heterochromatin and transcription in situ, explaining how heterochromatin enzyme inhibition can produce a paradoxical decrease in transcription by destabilizing domain cores. Applied to development and aging, we show the pairing of heterochromatin and transcription at myogenic genes that could be disrupted by nuclear swelling. In sum, packing domains represent a foundation to explore the interactions of chromatin and transcription at the single-cell level in human health.