Abstract The mammalian genome is spatially organized in the nucleus to enable cell type-specific gene expression. Investigating how chromatin organization determines this specificity remains a challenge. Methods for measuring the 3D chromatin organization, such as Hi-C, are costly and bear strong technical limitations, restricting their broad application particularly in high-throughput genetic perturbations. In this study, we present C.Origami, a deep neural network model that performs de novo prediction of cell type-specific chromatin organization. The C.Origami model enables in silico experiments to examine the impact of genetic perturbations on chromatin interactions in cancer genomes and beyond. In addition, we propose an in silico genetic screening framework that enables high-throughput identification of impactful genomic regions on 3D chromatin organization. We demonstrate that cell type-specific in silico genetic perturbation and screening, enabled by C.Origami, can be used to systematically discover novel chromatin regulatory mechanisms in both normal and disease-related biological systems.

Abstract/Summary To maintain blood homeostasis, millions of terminally differentiated effector cells are produced every day. At the apex of this massive and constant blood production lie hematopoietic stem cells (HSCs), a rare cell type harboring unique self-renewal and multipotent properties. A key feature of HSCs is their ability to temporarily exit the cell cycle in a state termed quiescence. Defective control of cell cycle progression can eventually lead to bone marrow failure or malignant transformation. It is thought that HSCs must re-enter the cell cycle in order to commit to terminal differentiation. However, the molecular mechanisms tying cell cycle re-entry to cell fate commitment in HSCs remain elusive. Here, we identify the chromatin-associated Sin3B protein as a molecular link between cell cycle progression and differentiation in HSCs. We demonstrate that Sin3B is necessary for HSCs’ commitment to differentiation, but dispensable for their self-renewal or survival. Single cell transcriptional profiling of hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs) inactivated for Sin3B reveals aberrant cell cycle gene expression, consistent with the observed aberrant progression through the G 1 phase of the cell cycle. The defective cell cycle control elicited upon Sin3B inactivation correlates with the engagement of discrete signaling programs, including aberrant expression of cell adhesion molecules and essential components of the interferon signaling cascade in LT-HSCs. Additionally, chromatin accessibility profiling in LT-HSCs reveals the Sin3B-dependent accessibility of genomic elements controlling HSC differentiation, suggesting a functional link between cell cycle progression, and priming of hematopoietic stem cells for differentiation. Together, these results point to controlled progression through the G 1 phase of the cell cycle as a likely regulator of HSC lineage commitment through the modulation of chromatin features.

Three-dimensional (3D) chromatin architectural changes can alter the integrity of topologically associated domains (TADs) and rewire specific enhancer-promoter interactions impacting gene expression. Recently, such alterations have been implicated in human disease, highlighting the need for a deeper understanding of their role. Here, we investigate the reorganization of chromatin architecture in T cell acute lymphoblastic leukemia (T-ALL) using primary human leukemia specimens and its dynamic responses to pharmacological agents. Systematic integration of matched in situ Hi-C, RNA-Seq and CTCF ChIP-Seq datasets revealed widespread changes in intra-TAD chromatin interactions and TAD boundary insulation in T-ALL. Our studies identify and focus on a TAD "fusion" event being associated with loss of CTCF-mediated insulation, enabling direct interactions between the MYC promoter and a distal super-enhancer. Moreover, our data show that small molecule inhibitors targeting either oncogenic signal transduction or epigenetic regulation reduce specific 3D interactions associated with transformation. Overall, our study highlights the impact, complexity and dynamic nature of 3D chromatin architecture in human acute leukemia.

Abstract Although the structure and function of the alphoid-tetO Human Artificial Chromosome (tetO-HAC) has been previously described in cell culture models and somatically in the mouse, in vivo persistence and stability throughout meiosis and across generations were not evaluated. Here we report germline transmission of a circular tetO-HAC across three mouse generations without observable health or reproductive deficiencies. Furthermore, we show that the tetO-HAC is maintained without selection as an episome and can be efficiently transmitted by both ova and sperm.