GPSeq maps the radial genome organization during neural differentiation

Abstract

As stem cells progress from an undifferentiated to a differentiated state, their purpose and functions change. Processes such as DNA replication and transcription are crucial for cell differentiation and are modulated by the three-dimensional organization of chromatin. Here, the method Genomic loci Positioning by Sequencing (GPSeq) is used to investigate the radial rearrangement of chromatin during neural differentiation as the cells progress from neuroepithelial stem cells (NES) to neuroprogenitor cells (NPC) and finally to neurons. It was shown, that both the enzyme HindIII as well as DpnII can be used for digestion where restriction with DpnII achieves higher resolution. Novel features, such as tubular structures and small dots spread through the nuclei, were observed in the YFISH experiment. Moreover, the generated GPSeq score profiles acquired from the sequencing data, show high correlation at the same differentiation stage but lower correlation at di erent differentiation stages, indicating a di erence in radial arrangement of chromatin between NES, NPC and neurons. Principal Component Analysis could differentiate the cell types and to compare them "strongly di erent regions" were inferred using a global threshold. The data from the performed experiments suggest a rearrangement of chromatin during differentiation.

Durch das Fortschreiten der Differenzierung von Stammzellen zu spezialisierten Zellen ändert sich deren Zweck und Funktion. Prozesse wie DNA Replikation und Transkription sind entscheidend für die Dfferenzierung von Zellen und werden durch die dreidimensionale Organisation von Chromatin gesteuert. In dieser Arbeit wird die Methode Genomic loci Positioning by Sequencing (GPSeq) verwendet, um die radiale Anordnung von Chromatin während neuronaler Differenzierung - also wenn die Zellen sich von neuroepithelialen Stammzellen bis hin zu Neuronen entwickeln - zu untersuchen. Es wurde gezeigt, dass sowohl das Enzym HindIII als auch DpnII für den enzymatischen Verdau verwendet werden kann, wobei man unter Verwendung von DpnII eine höhere Auflösung erzielt. Neue Entdeckungen, wie zum Beispiel röhrenförmige Strukturen und kleine Punkte, die sich durch den ganzen Nucleus ziehen, wurden durch die YFISH(Y-Fluoreszenz in situ Hybridisierung)-Experimente gemacht. Außerdem zeigen die aus den Sequenzierdaten generierten GPSeq score-Profile hohe Korrelation in der gleichen Differenzierungsphase, aber niedrigere Korrelation in verschiedenen Dfferenzierungsphasen. Dies weist auf unterschiedliche radiale Anordnungen des Chromatins abhängig vom untersuchten Zelltyp hin. Durch eine Hauptkomponentenanalyse konnten neuroepitheliale Stammzellen, neurale Vorläuferzellen und Neuronen unterschieden werden. Um die unterschiedlichen Zelltypen zu vergleichen, wurden „stark unterschiedliche Regionen“ unter Zuhilfenahme eines globalen Grenzwertes gesucht. Die Daten, die durch die durchgeführten Experimente erhoben wurden, deuten auf eine Reorganisation des Chromatins während der Dfferenzierung hin.