The formation of silenced and condensed heterochromatin foci involves enrichment of heterochromatin protein 1 (HP1). HP1 can bridge chromatin segments and form liquid droplets, but the biophysical principles underlying heterochromatin compartmentalization in the cell nucleus are elusive. Here, we assess mechanistically relevant features of pericentric heterochromatin compaction in mouse fibroblasts. We find that (1) HP1 has only a weak capacity to form liquid droplets in living cells; (2) the size, global accessibility, and compaction of heterochromatin foci are independent of HP1; (3) heterochromatin foci lack a separated liquid HP1 pool; and (4) heterochromatin compaction can toggle between two "digital" states depending on the presence of a strong transcriptional activator. These findings indicate that heterochromatin foci resemble collapsed polymer globules that are percolated with the same nucleoplasmic liquid as the surrounding euchromatin, which has implications for our understanding of chromatin compartmentalization and its functional consequences.

Abstract Medulloblastoma with extensive nodularity (MBEN) are cerebellar tumors with two histologically distinct compartments and varying disease course. In some children MBEN progresses, while others show spontaneous differentiation into more benign tumors. However, the mechanisms that control the tug-of-war between proliferation and differentiation are not well understood. Here, we dissected this process with a multi-modal single cell transcriptome analysis. We found that the internodular MBEN compartment comprised proliferating early cerebellar granular neuronal precursors (CGNP)-like tumor cells as well as stromal, vascular, and immune cells. In contrast, the nodular compartment consisted of postmitotic, neuronally differentiated MBEN cells. Both compartments were connected through an intermediate cell stage of actively migrating CGNPs. Furthermore, astrocyte-like tumor cells were identified that had branched off the main CGNP developmental trajectory. Cells with an astroglial phenotype were found in close proximity to migrating, late CGNP-like and postmitotic neuronally differentiated cells. Our study reveals how the spatial tissue organization is linked to the developmental trajectory of proliferating tumor cells through a migrating precursor stage into differentiated tumor cells with a more benign phenotype. We anticipate that our framework for integrating single nucleus RNA-sequencing and spatial transcriptomics will help to uncover intercompartmental interactions also in other cancers with varying histology.

Abstract Background Spatial transcriptomics ( ST ) technologies are revolutionizing our understanding of intra-tumor heterogeneity and the tumor microenvironment by revealing single-cell molecular profiles within their spatial tissue context. The rapid evolution of ST methods, each with unique features, presents a challenge in selecting the most appropriate technology for specific research objectives. Here, we compare four imaging-based ST methods – RNAscope HiPlex, Molecular Cartography, MERFISH/Merscope, and Xenium – together with sequencing-based ST (Visium). These technologies were used to study cryosections of medulloblastoma with extensive nodularity (MBEN), a tumor chosen for its distinct microanatomical features. Results Our analysis reveals that automated imaging-based ST methods are well suited to delineating the intricate MBEN microanatomy, capturing cell-type-specific transcriptome profiles. We devise approaches to compare the sensitivity and specificity of the different methods together with their unique attributes to guide method selection based on the research aim. Furthermore, we demonstrate how reimaging of slides after the ST analysis can markedly improve cell segmentation accuracy and integrate additional transcript and protein readouts to expand the analytical possibilities and depth of insights. Conclusions This study highlights key distinctions between various ST technologies and provides a set of parameters for evaluating their performance. Our findings aid in the informed choice of ST methods and delineate approaches for enhancing the resolution and breadth of spatial transcriptomic analyses, thereby contributing to advancing ST applications in solid tumor research.

Abstract Various mechanisms have been proposed to explain gene activation and co-regulation, including enhancer-promoter interactions via chromatin looping and the enrichment of transcription factors into hubs or condensates. However, these conclusions often stem from analyses of individual loci, and genome-wide studies exploring mechanistic differences with coupled gene expression are lacking. In this study, we dissected the proinflammatory gene expression program induced by TNFα in primary human endothelial cells using NGS- and imaging-based techniques. Our findings, enabled by our novel RWireX approach for single-cell ATAC-seq analysis, revealed two distinct regulatory chromatin modules: autonomous links of co-accessibility (ACs) between separated sites, and domains of contiguous co-accessibility (DCs) with increased local transcription factor binding. Genes in ACs and DCs exhibited different transcriptional bursting kinetics, highlighting the existence of two structurally and functionally distinct regulatory chromatin modules in the proinflammatory response. These findings provide a novel mechanistic framework for understanding how cells achieve rapid and precise gene expression control. Graphical abstract Highlights Two distinct, non-mutually exclusive chromatin modules, ACs and DCs, that regulate proinflammatory gene expression were identified based on deep scATAC-seq. ACs represent long-range genomic interactions with regulation occurring more by transcription burst frequency. DCs are regions of increased local transcription factor binding that can modulate transcription burst size. The AC/DC model integrates sequencing-based evidence for chromatin looping with microscopy observations of transcription factor hubs/condensates into a unified model. Our findings provide a novel framework for understanding how cells achieve rapid and precise gene expression control.