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

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.

Accurate repair of DNA damage is critical for maintenance of genomic integrity and cellular viability. Because damage occurs non-uniformly across the genome, single-cell resolution is required for proper interrogation, but sensitive detection has remained challenging. Here, we present a comprehensive analysis of repair protein localization in single human cells using DamID and ChIC sequencing techniques. This study reports genome-wide binding profiles in response to DNA double-strand breaks induced by AsiSI, and explores variability in genomic damage locations and associated repair features in the context of spatial genome organization. By unbiasedly detecting repair factor localization, we find that repair proteins often occupy entire topologically associating domains, mimicking variability in chromatin loop anchoring. Moreover, we demonstrate the formation of multi-way chromatin hubs in response to DNA damage. Notably, larger hubs show increased coordination of repair protein binding, suggesting a preference for cooperative repair mechanisms. Together, our work offers insights into the heterogeneous processes underlying genome stability in single cells. Accurate repair of DNA damage is crucial for genome stability and preventing disease. Here, the authors adapt single-cell omics technologies to map the location of repair proteins across the human genome, showing formation of multi-way chromatin hubs in response to damage.