The three-dimensional organization of chromosomes within the nucleus and its dynamics during differentiation are largely unknown. To visualize this process in molecular detail, we generated high-resolution maps of genome-nuclear lamina interactions during subsequent differentiation of mouse embryonic stem cells via lineage-committed neural precursor cells into terminally differentiated astrocytes. This reveals that a basal chromosome architecture present in embryonic stem cells is cumulatively altered at hundreds of sites during lineage commitment and subsequent terminal differentiation. This remodeling involves both individual transcription units and multigene regions and affects many genes that determine cellular identity. Often, genes that move away from the lamina are concomitantly activated; many others, however, remain inactive yet become unlocked for activation in a next differentiation step. These results suggest that lamina-genome interactions are widely involved in the control of gene expression programs during lineage commitment and terminal differentiation.

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.

Evolutionary processes generating biodiversity and ecological mechanisms maintaining biodiversity seem to be diverse themselves. Conventional explanations of biodiversity such as niche differentiation, density-dependent predation pressure, or habitat heterogeneity seem satisfactory to explain diversity in communities of macrobial organisms such as higher plants and animals. For a long time the often high diversity among microscopic organisms in seemingly uniform environments, the famous “paradox of the plankton,” has been difficult to understand. The biodiversity in bacterial communities has been shown to be sometimes orders of magnitudes higher than the diversity of known macrobial systems. Based on a spatially explicit game theoretical model with multiply cyclic dominance structures, we suggest that antibiotic interactions within microbial communities may be very effective in maintaining diversity.

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

In metazoans, the nuclear lamina is thought to play an important role in the spatial organization of interphase chromosomes, by providing anchoring sites for large genomic segments named lamina-associated domains (LADs). Some of these LADs are cell-type specific, while many others appear constitutively associated with the lamina. Constitutive LADs (cLADs) may contribute to a basal chromosome architecture. By comparison of mouse and human lamina interaction maps, we find that the sizes and genomic positions of cLADs are strongly conserved. Moreover, cLADs are depleted of synteny breakpoints, pointing to evolutionary selective pressure to keep cLADs intact. Paradoxically, the overall sequence conservation is low for cLADs. Instead, cLADs are universally characterized by long stretches of DNA of high A/T content. Cell-type specific LADs also tend to adhere to this “A/T rule” in embryonic stem cells, but not in differentiated cells. This suggests that the A/T rule represents a default positioning mechanism that is locally overruled during lineage commitment. Analysis of paralogs suggests that during evolution changes in A/T content have driven the relocation of genes to and from the nuclear lamina, in tight association with changes in expression level. Taken together, these results reveal that the spatial organization of mammalian genomes is highly conserved and tightly linked to local nucleotide composition.

Highlights•A method for parallel monitoring of thousands of reporters integrated in the genome•Genome-wide landscape of chromatin position effects in mouse embryonic stem cells•Attenuation of transcriptional activity in lamina-associated domains•• Enhancers and transcription units influence gene expression generally over ∼20 kbSummaryReporter genes integrated into the genome are a powerful tool to reveal effects of regulatory elements and local chromatin context on gene expression. However, so far such reporter assays have been of low throughput. Here, we describe a multiplexing approach for the parallel monitoring of transcriptional activity of thousands of randomly integrated reporters. More than 27,000 distinct reporter integrations in mouse embryonic stem cells, obtained with two different promoters, show ∼1,000-fold variation in expression levels. Data analysis indicates that lamina-associated domains act as attenuators of transcription, likely by reducing access of transcription factors to binding sites. Furthermore, chromatin compaction is predictive of reporter activity. We also found evidence for crosstalk between neighboring genes and estimate that enhancers can influence gene expression on average over ∼20 kb. The multiplexed reporter assay is highly flexible in design and can be modified to query a wide range of aspects of gene regulation.Graphical abstract

Most of the millions of single-nucleotide polymorphisms (SNPs) in the human genome are non-coding, and many overlap with putative regulatory elements. Genome-wide association studies have linked many of these SNPs to human traits or to gene expression levels, but rarely with sufficient resolution to identify the causal SNPs. Functional screens based on reporter assays have previously been of insufficient throughput to test the vast space of SNPs for possible effects on enhancer and promoter activity. Here, we have leveraged the throughput of the SuRE reporter technology to survey a total of 5.9 million SNPs, including 57% of the known common SNPs. We identified more than 30 thousand SNPs that alter the activity of putative regulatory elements, often in a cell-type specific manner. These data indicate that a large proportion of human non-coding SNPs may affect gene regulation. Integration of these SuRE data with genome-wide association studies may help pinpoint SNPs that underlie human traits.

It is largely unclear whether genes that are naturally embedded in lamina associated domains (LADs) are inactive due to their chromatin environment, or whether LADs are merely secondary to the lack of transcription. We show that hundreds of human promoters become active when moved from their native LAD position to a neutral context in the same cells, indicating that LADs form a repressive environment. Another set of promoters inside LADs is able to "escape" repression, although their transcription elongation is attenuated. By inserting reporters into thousands of genomic locations, we demonstrate that these escaper promoters are intrinsically less sensitive to LAD repression. This is not simply explained by promoter strength, but by the interplay between promoter sequence and local chromatin features that vary strongly across LADs. Enhancers also differ in their sensitivity to LAD chromatin. This work provides a general framework for the systematic understanding of gene regulation by repressive chromatin.