New assays for quantitative imaging 1–6 and sequencing 7–11 have yielded great progress towards understanding the organizational principles of chromosomes. Yet, even for the well-studied model bacterium Escherichia coli , many basic questions remain unresolved regarding chromosomal (sub-)structure 2,11 , its mechanics 1,2,12 and dynamics 13,14 , and the link between structure and function 1,15,16 . Here we resolve the spatial organization of the circular chromosome of bacteria by directly imaging the chromosome in live E. coli cells with a broadened cell shape. The chromosome was observed to exhibit a torus topology with a 4.2 μm toroidal length and 0.4 μm bundle thickness. On average, the DNA density along the chromosome shows dense right and left arms that branch from a lower-density origin of replication, and are connected at the terminus of replication by an ultrathin flexible string of DNA. At the single-cell level, the DNA density along the torus is found to be strikingly heterogeneous, with blob-like Mbp-size domains that undergo major dynamic rearrangements, splitting and merging at a minute timescale. We show that prominent domain boundaries at the terminus and origin of replication are induced by MatP proteins, while weaker transient domain boundaries are facilitated by the global transcription regulators HU and Fis. These findings provide an architectural basis for the understanding of the spatial organization of bacterial genomes.

Abstract Elucidating the dynamics of cellular differentiation in space and time is key to advancing organoid biology and technology. Direct visualization of differentiation patterns is challenging, however, in part because of the difficulty of simultaneously detecting all relevant cell types by fluorescence imaging. Here we present TypeTracker, which determines the differentiation trajectories of all cells within a region of interest, including their type transitions, growth, divisions, and changes in spatial organization. We show how the lineage tree topology, as determined by automated cell tracking, allows for the retrospective identification of cell types across multiple generations. The data revealed various surprising aspects of intestinal organoid differentiation, including symmetric fate adoption by sister cells, cell type abundance regulated by division, and type commitment of cells occurring prior to their spatial reorganization. Our method can be applied broadly to study other organoid systems and to screen for compounds that affect differentiation programs.

Abstract During renewal of the intestine, cells are continuously generated by proliferation. Proliferation and differentiation must be tightly balanced, as any bias towards proliferation results in uncontrolled exponential growth. Yet, the inherently stochastic nature of cells raises the question how such fluctuations are limited. We used time-lapse microscopy to track all cells in crypts of growing mouse intestinal organoids for multiple generations, allowing full reconstruction of the underlying lineage dynamics in space and time. Proliferative behavior was highly symmetric between sister cells, with both sisters either jointly ceasing or continuing proliferation. Simulations revealed that such symmetric proliferative behavior minimizes cell number fluctuations, explaining our observation that proliferating cell number remained constant even as crypts increased in size considerably. Proliferative symmetry did not reflect positional symmetry, but rather lineage control through the mother cell. Our results indicate a concrete mechanism to balance proliferation and differentiation with minimal fluctuations, that may be broadly relevant for other tissues.

CRISPR/Cas9 technology has revolutionized genome editing and is applicable to the organoid field. However, precise integration of exogenous DNA sequences in human organoids awaits robust knock-in approaches. Here, we describe CRISPR/Cas9-mediated Homology-independent Organoid Transgenesis (CRISPR-HOT), which allows efficient generation of knock-in human organoids representing different tissues. CRISPR-HOT avoids extensive cloning and outperforms homology directed repair (HDR) in achieving precise integration of exogenous DNA sequences at desired loci, without the necessity to inactivate TP53 in untransformed cells, previously used to increase HDR-mediated knock-in. CRISPR-HOT was employed to fluorescently tag and visualize subcellular structural molecules and to generate reporter lines for rare intestinal cell types. A double reporter labelling the mitotic spindle by tagged tubulin and the cell membrane by tagged E-cadherin uncovered modes of human hepatocyte division. Combining tubulin tagging with TP53 knock-out revealed TP53 involvement in controlling hepatocyte ploidy and mitotic spindle fidelity. CRISPR-HOT simplifies genome editing in human organoids.

Time-lapse microscopy is routinely used to follow cells within organoids, allowing direct study of division and differentiation patterns. There is an increasing interest in cell tracking in organoids, which makes it possible to study their growth and homeostasis at the single-cell level. As tracking these cells by hand is prohibitively time consuming, automation using a computer program is required. Unfortunately, organoids have a high cell density and fast cell movement, which makes automated cell tracking difficult. In this work, a semi-automated cell tracker has been developed. To detect the nuclei, we use a machine learning approach based on a convolutional neural network. To form cell trajectories, we link detections at different time points together using a min-cost flow solver. The tracker raises warnings for situations with likely errors. Rapid changes in nucleus volume and position are reported for manual review, as well as cases where nuclei divide, appear and disappear. When the warning system is adjusted such that virtually error-free lineage trees can be obtained, still less than 2% of all detected nuclei positions are marked for manual analysis. This provides an enormous speed boost over manual cell tracking, while still providing tracking data of the same quality as manual tracking.

Many proteins that bind specific DNA sequences search the genome by combining three dimensional (3D) diffusion in the cytoplasm with one dimensional (1D) sliding on non-specific regions of the DNA. It is however not known how sliding proteins are oriented with respect to DNA in order to recognize specific sequences. Here we measure the polarization of fluorescence emission from single fluorescently labeled lac repressor (LacI) molecules sliding on stretched DNA. Real-time feedback-coupled confocal single-particle tracking allows us to measure fluorescence correlation of the sliding molecules. We find that the fluctuations in the fluorescence signal on the μs timescale are accurately described by rotation-coupled sliding on DNA. On average, LacI moves ~50 base pairs per revolution, which is significantly longer than the 10.5 bp helical periodicity of DNA. Our data support a facilitated diffusion model where the transcription factor (TF) scans the DNA grooves for hydrogen bonding opportunities in a pre-aligned orientation with occasional slippage out of the groove.

While the spatiotemporal structure of the genome is crucial to its biological function, many basic questions remain unanswered on the morphology and segregation of chromosomes. Here, we experimentally show in Escherichia coli that spatial confinement plays a dominant role in determining both the chromosome size and position. In non-dividing cells with lengths up to 10 times normal, single chromosomes are observed to expand more than 4 fold in size, an effect only modestly influenced by deletions of various nucleoid-associated proteins. Chromosomes show pronounced internal dynamics but exhibit a robust positioning where single nucleoids reside strictly at mid-cell, while two nucleoids self-organize at 1/4 and 1/4 cell positions. Molecular dynamics simulations of model chromosomes recapitulate these phenomena and indicate that these observations can be attributed to depletion effects induced by cytosolic crowders. These findings highlight boundary confinement as a key causal factor that needs to be considered for understanding chromosome organization.

Many proteins that bind specific DNA sequences search the genome by combining three dimensional (3D) diffusion in the cytoplasm with one dimensional (1D) sliding on non-specific DNA. Here we combine resonance energy transfer and fluorescence correlation measurements to characterize how individual lac repressor (LacI) molecules explore DNA during the 1D phase of target search. To track the rotation of sliding LacI molecules on the microsecond time scale during DNA surface search, we use real-time single-molecule confocal laser tracking combined with fluorescence correlation spectroscopy (SMCT-FCS). The fluorescence signal fluctuations are accurately described by rotation-coupled sliding, where LacI traverses ~40 base pairs (bp) per revolution. This distance substantially exceeds the 10.5-bp helical pitch of DNA, suggesting that the sliding protein frequently hops out of the DNA groove, which would result in frequent bypassing of target sequences. Indeed, we directly observe such bypassing by single-molecule fluorescence resonance energy transfer (smFRET). A combined analysis of the smFRET and SMCT-FCS data shows that LacI at most hops one to two grooves (10-20 bp) every 250 μs. Overall, our data suggest a speed-accuracy trade-off during sliding; the weak nature of non-specific protein-DNA interactions underlies operator bypassing but also facilitates rapid sliding. We anticipate that our SMCT-FCS method to monitor rotational diffusion on the microsecond time scale while tracking individual molecules with millisecond time resolution will be applicable to the real-time investigation of many other biological interactions and effectively extends the accessible time regime by two orders of magnitude.