In the skin, tissue injury results in fibrosis in the form of scars composed of dense extracellular matrix deposited by fibroblasts. The therapeutic goal of regenerative wound healing has remained elusive in part because principles of fibroblast programming and adaptive response to injury remain incompletely understood. Here, we present a multimodal -omics platform for the comprehensive study of cell populations in complex tissue, which has allowed us to characterize the cells involved in wound healing across both time and space. We employ a stented wound model that recapitulates human tissue repair kinetics and multiple Rainbow transgenic lines to precisely track fibroblast fate during the physiologic response to injury. Through integrated analysis of single cell chromatin landscapes and gene expression states, coupled with spatial transcriptomic profiling, we are able to impute fibroblast epigenomes with temporospatial resolution. This has allowed us to define the mechanisms controlling cell fate during migration, proliferation, and differentiation following tissue injury and thereby reexamine the canonical phases of wound healing. These findings have broad implications for the study of tissue repair in complex organ systems.

Many long noncoding RNAs (lncRNAs) regulate gene transcription through binding to histone modification complexes. Therefore, a comprehensive study of nuclear RNAs in a histone modification-specific manner is critical to understand their regulatory mechanisms. Here we develop a method named Profiling Interacting RNAs on Chromatin by deep sequencing (PIRCh-seq), in which we profile chromatin-associated transcriptome in 5 different cell types using antibodies recognizing histone H3 and 6 distinct histone modifications associated with active or repressive chromatin states. PIRCh-seq identified chromatin-associated RNAs with substantially less contamination by nascent transcripts, as compared to existing methods. We classified chromatin-enriched lncRNAs into 6 functional groups based on the patterns of their association with specific histone modifications. LncRNAs were enriched with different chromatin modifications in different cell types, suggesting lncRNAs' regulation may also be cell type-specific. By integrating profiles of RNA secondary structure and RNA m6A modification, we found that RNA bases which bind to chromatin tend to be more single stranded. We discovered hundreds of allele-specific RNA-chromatin interactions, nominating specific single nucleotide variants that alter RNA association with chromatin. These results provide a unique resource to globally study the functions of chromatin-associated lncRNAs and elucidate the basic mechanisms of chromatin-RNA interaction.

Abstract HOTAIR is a 2.2 kb long noncoding RNA (lncRNA) whose dysregulation has been linked to oncogenesis, defects in pattern formation during early development, and irregularities during the process of epithelial-to-mesenchymal transition (EMT). However, the oncogenic transformation determined by HOTAIR in vivo and its impact on chromatin dynamics are incompletely understood. Here we generate a transgenic mouse model with doxycycline-inducible expression of human HOTAIR in the context of the MMTV-PyMT breast cancer-prone background to systematically interrogate the cellular mechanisms by which human HOTAIR lncRNA acts to promote breast cancer progression. We show that sustained high levels of HOTAIR over time increased breast metastatic capacity and invasiveness in breast cancer cells, promoting migration and subsequent metastasis to the lung. Subsequent withdrawal of HOTAIR overexpression reverted the metastatic phenotype, indicating oncogenic lncRNA addiction. Furthermore, HOTAIR overexpression altered both the cellular transcriptome and chromatin accessibility landscape of multiple metastasis-associated genes and promoted epithelial to mesenchymal transition. These alterations are abrogated within several cell cycles after HOTAIR expression is reverted to basal levels, indicating an erasable lncRNA-associated epigenetic memory. These results suggest that a continual role for HOTAIR in programming a metastatic gene regulatory program. Targeting HOTAIR lncRNA may potentially serve as a therapeutic strategy to ameliorate breast cancer progression.