Cancer cell lines often have large structural variants (SVs) that evolve over time. There are many reported differences in large scale SVs between HL-60 and HL-60/S4, two cell lines derived from the same acute myeloid leukemia sample. However, the stability and variability of inter- and intra-chromosomal structural variants between different sources of the same cell line is unknown. Here, we used Hi-C and RNA-seq to identify and compare large SVs in HL-60 and HL-60/S4 cell lines. Comparisons with previously published karyotypes identified novel SVs in both cell lines. Hi-C was used to characterize the known expansion centered on the MYC locus. The MYC expansion was integrated into known locations in HL-60/S4, and a novel location (chr4) in HL-60. The HL-60 cell line has more within-line structural variation than the HL-60/S4 derivative cell line. Collectively we demonstrate the usefulness of Hi-C and with RNA-seq data for the identification and characterization of SVs.

Mammalian cells are flexible and can rapidly change shape when they contract, adhere, or migrate. Their nucleus must be stiff enough to withstand cytoskeletal forces, but flexible enough to remodel as the cell changes shape. This is particularly important for cells migrating through constricted space, where the nuclear shape must change in order to fit through. This occurs many times in the life cycle of a neutrophil, which must protect its chromatin from damage and disruption associated with migration. Total RNA-sequencing identified that neutrophil migration through 5 or 14 μm pores was associated with changes in the transcript levels of inflammation and chemotaxis-related genes, when compared to unmigrated cells. Differentially expressed transcripts specific to migration with constriction were enriched for groups of genes associated with cytoskeletal remodeling. Hi-C was used to capture the genome organization in control and migrated cells. Chromatin did not switch between the active (A) and inactive (B) compartments after migration. However, global depletion of mid- to long-range contacts was observed following active migration through the 5 μm pores. Chromatin contacts that decreased in frequency were enriched in inactive chromatin. Mid- to long-range contacts are preferentially lost within inactive chromatin, thus protecting transcriptionally active contacts from the disruptive effects of migration with constriction. This is consistent with current hypotheses implicating heterochromatin as the mechanoresponsive form of chromatin. Further investigation concerning the contribution of heterochromatin to stiffness, flexibility, and protection of nuclear function will be important for understanding cell migration in human health and disease.

Tumor necrosis factor alpha (TNF-α) is a potent cytokine involved in systemic inflammation and immune modulation. Signaling responses that involve TNF-α are context dependent and capable of stimulating pathways promoting both cell death and survival. TNF-α treatment has been investigated as part of a combined therapy for acute myeloid leukemia due to its modifying effects on all-trans retinoic acid (ATRA) mediated differentiation into granulocytes.To investigate the interaction between cellular differentiation and TNF-α, we performed RNA-sequencing on two forms of the human HL-60/S4 promyelocytic leukemia cell line treated with TNF-α. The ATRA-differentiated granulocytic form of HL-60/S4 cells had an enhanced transcriptional response to TNF-α treatment compared to the undifferentiated promyelocytes. The observed TNF-α responses included differential expression of cell cycle gene sets, which were generally upregulated in TNF-α treated promyelocytes, and downregulated in TNF-α treated granulocytes. This is consistent with TNF-α induced cell cycle repression in granulocytes and cell cycle progression in promyelocytes. Moreover, comparisons with gene expression changes associated with differentiation indicated that TNF-α treatment of granulocytes shifts the transcriptome towards that of a macrophage.We conclude that TNF-α treatment promotes a divergent transcriptional program in promyelocytes and granulocytes. TNF-α promotes cell cycle associated gene expression in promyelocytes. In contrast, TNF-α stimulated granulocytes have reduced cell cycle gene expression, and a macrophage-like transcriptional program.

Abstract Live human myeloid leukemia (HL-60/S4) cells exposed to acute hyperosmotic stress with sucrose undergo dehydration and cell shrinkage. Interphase chromatin and mitotic chromosomes congeal, and exhibit altered phase separation (demixing) of chromatin-associated proteins. To investigate concurrent changes in the transcriptome, we exposed exponentially growing HL-60/S4 cells to acute hyperosmotic stress (∼600 milliOsmolar) for 30 and 60 minutes by addition of sucrose to the culture medium. We employed RNA-Seq of polyA mRNA to identify genes with significantly increased or decreased transcript levels relative to untreated control cells (i.e., differential gene expression). These identified genes were examined for over-representation of Gene Ontology (GO) terms. In hyperosmotically-stressed cells, multiple GO terms associated with transcription, translation, mitochondrial function and proteosome activity, as well as the gene set “replication-dependent histones”, were over-represented among genes with increased transcript levels; whereas, genes with decreased transcript levels were over-represented in various GO terms for transcription repressors. The overall transcriptome profiles of these stressed cells suggest a rapid acquisition of cellular rebuilding, a futile homeostatic response, as these cells are ultimately doomed to a dehydrated death. “Do not go gentle into that good night Rage, rage against the dying of the light” Dylan Thomas (1914-1953)

Visualizing chromatin adjacent to the nuclear envelope (denoted "epichromatin") by in vitro immunostaining with a bivalent nucleosome-binding antibody (termed monoclonal antibody PL2-6) has suggested a distinct and conserved chromatin structure. Moreover, different staining patterns for chromatin complexed with the monovalent "Fab" fragment of PL2-6, compared to the bivalent form, point to distinct binding interactions. To help interpret antibody/chromatin interactions and these differential binding modes, we incorporate coarse-grained PL2-6 antibody modeling into our mesoscale chromatin model and analyze interactions and fiber structures for the antibody/chromatin complexes in open and condensed chromatin, with and without linker histone H1 (LH). Despite minimal and transient interactions at physiological salt, we capture differential binding for monomer and dimer antibody forms to open fibers, with much more intense interactions in the bivalent antibody/chromatin complex. For these open "zigzag" fiber morphologies, differences result from antibody competition for peptide tail contacts with internal chromatin fiber components (nucleosome core and linker DNA). Antibody competition results in dramatic conformational and energetic differences among monovalent, bivalent, and free chromatin systems in the parental linker DNA / tail interactions. These differences in binding modes and changes in internal fiber structure, driven by conformational entropy gains, help interpret the differential staining patterns for the monovalent versus bivalent antibody/chromatin complexes. More generally, such dynamic interactions which depend on the complex internal structure and self-interactions of the chromatin fiber have broader implications to other systems that bind to chromatin, such as linker histones and remodeling proteins.

Background: Myeloid differentiation gives rise to a plethora of immune cells in the human body. This differentiation leaves strong signatures in the epigenome through each differentiated state of genetically identical cells. The leukemic HL-60/S4 promyelocytic cell can be easily differentiated from its undifferentiated promyelocyte state into neutrophil- and macrophage-like cell states, making it an excellent system for studying myeloid differentiation. In this study, we present the underlying genome and epigenome architecture of HL-60/S4 through its undifferentiated and differentiated cell states. Results: We performed whole genome bisulphite sequencing of HL-60/S4 cells and their differentiated counterparts. With the support of karyotyping, we show that HL-60/S4 maintains a stable genome throughout differentiation. Analysis of differential CpG methylation reveals that most methylation changes occur in the macrophage-like state. Differential methylation of promoters was associated with immune related terms. Key immune genes, CEBPA, GFI1, MAFB and GATA1 showed differential expression and methylation. However, we observed strongest enrichment of methylation changes in enhancers and CTCF binding sites, implying that methylation plays a major role in large scale transcriptional reprogramming and chromatin reorganisation during differentiation. Correlation of differential expression and distal methylation with support from chromatin capture experiments allowed us to identify putative proximal and long-range enhancers for a number of immune cell differentiation genes, including CEBPA and CCNF. Integrating expression data, we present a model of HL-60/S4 differentiation in relation to the wider scope of myeloid differentiation. Conclusions: For the first time, we elucidate the genome and CpG methylation landscape of HL-60/S4 during differentiation. We identify all differentially methylated regions and positions. We link these to immune function and to important factors in myeloid differentiation. We demonstrate that methylation plays a more significant role in modulating transcription via enhancer reprogramming, rather than by promoter regulation. We identify novel regulatory regions of key components in myeloid differentiation that are regulated by differential methylation. This study contributes another layer of 'omics characterisation of the HL-60/S4 cell line, making it an excellent model system for studying rapid in vitro cell differentiation.