Dynamic structural models of the 4D genome

I celler er kromosomer tredimensjonalt (3D) organisert på en måte som muliggjør effektiv regulering av genuttrykk, som dikterer hvem vi er og hvordan vi ser ut. I dette prosjektet studerer vi 1) hvordan kromosomer er organisert i 3D ini cellekjernen, 2) hvordan denne organisasjonen endres under stamcelledifferensiering, og 3) hvordan metabolisme påvirker 3D-kromosomstruktur og genuttrykk. Vårt arbeid har vært både databeregningsbasert, med generering av 3D data-modeller av genomet som muliggjør formulering av hypoteser som kan testes i laboratoriet, og eksperimentelt, med validering (eller ikke) av hypoteser fra modellene. Våre forsøk har også ført til nye funn om hvordan den metabolske tilstanden til en celle påvirker 3D-genomorganisering over tid (det så-kalte «4D»-genomet, der den fjerde dimensjonen er tid). Vi har publisert en brukervennlig programvare (Chrom3D) for å modellere kromosomer i 3D fra eksperimentelle data; disse dataene består av store kartlegginger av interaksjoner mellom kromosomer i 3D-kjernerommet, og av interaksjoner mellom kromosomer og kjernemembranen, i periferien av kjernen. Chrom3D lar oss lage testbare prediksjoner om kromosomdynamikk som plassering, bevegelse, komprimering eller åpning, under stamcelledifferensiering og metabolsk stimulering av celler. Nye polymermodeller av kromosomer gir nå innsikt i hvordan fysiske egenskaper til kromosomer påvirker deres interaksjonsmønstre og dynamikk med kjernemembranen, og dermed deres 3D organisering i cellekjernen. Parallelt har vi påvist at periodiske endringer i kromatinorganisasjonen følger en 24-timers døgnrytme, noe som antyder en celle-autonom regulering av genomorganisering, i tillegg til det som kan påvirkes av metabolske stilstander. I humane fettstamceller utløser metabolsk stimulering ytterligere endringer i nivåene og varianter av et spesifikt RNA-molekyl, som vi fant fungerer som regulator av proteinsyntese og fettlagringskapasiteten til fettceller. Dette RNAet kan vise seg til å være en ny regulator av fettfordelingen mellom over- og underkroppen, og dermed av metabolsk helse (underkroppsfett er sunt, overkroppsfett er usunt). Til slutt, i et internasjonale samarbeid har vi karakterisert genuttrykk og epigenetiske profiler i stamceller fra benmarg og fettvev for å påvise vevsspesifikke immunegenskaper til disse cellene. I et annet samarbeid har vi identifisert et protein som er viktig for epigenetisk regulering av genomintegritet, som er inaktivert i visse typer kreft. Gjennom prosjektet har vi formidlet funnene våre på nasjonale og internasjonale konferanser, og i mange publikasjoner. I dette 5-årige prosjektet har vårt arbeid gitt nye perspektiver på hvordan 3D-genomorganisering (med fokus på i fettstamceller) påvirkes av metabolske tilstander, hvor viktig den er for regulering av genutrykk og cellefunksjon, og hvordan den endres i metabolsksykdommstilstander.

This was a fundamental science project on the spatial reconfiguration of the genome during stem cell differentiation. This has led to publications which have pioneered new appreciations and debates of the spatial dynamic of chromosomes in the field of nuclear architecture, notably at conferences and on social media. So effects and impact of our results have been very significant at the level of scientific knowledge.

Cell fate decisions are programmed at several levels of regulation of gene expression. One such level involves so-called epigenetic modifications of chromatin, an assembly of DNA and histones. Dynamic interactions between chromosomes in the 3-dimensional (3D) space of the cell nucleus also affect gene expression. This suggests that 3D genome conformation is regulated during development, that is, in a 4D space where the fourth component is time. Nutrients also seem to modulate epigenetic states, adding complexity to the regulation of gene expression. We aim to establish a mechanistic connection between 3D genome conformation, gene expression patterns and cellular metabolic state. We will test three hypotheses. The first is that lineage-specific differentiation shapes developmental transitions in the 3D chromatin landscape. This will be tested by generating novel 3D chromatin models from chromosome-chromosome and chromosome-nuclear envelope interaction data and modeling their transitions during adipogenic and neurogenic differentiation. The second is that 4D chromatin conformation predicts gene expression patterns. We will use Bayesian techniques to learn which aspects of 3D chromatin conformation or changes therein predict gene expression changes during differentiation. The third is that the 4D genome is influenced by cellular metabolism via a nutrient-sensing histone modification. This will be tested by subjecting cells to glucose stress, and monitoring how the 3D genome is affected and whether changes are mediated by H2B GlcNAcylation, a glucose-sensing modification which pre-patterns the association of nuclear lamins with chromatin (and hence the radial positioning of loci). This transdisciplinary project combines stem cell biology, chromatin biology and metabolic studies with high-throughput genomics, statistical modeling and software development. It is designed for 1 postdoc and 2 PhD students with technical assistance.