Super-resolution imaging uncovers key temporal changes in chromatin structure and pluripotent gene reactivation in single reprogramming cells

Abstract

Elucidating the mechanism of somatic cell reprogramming has been hampered by the limitations of iPSC systems to uncover the correctly reprogramming cells. Here, by using the highly efficient heterokaryon system we dissected the temporal dynamics of key molecular events during the early stages of pluripotency conversion at the single-cell level using super resolution imaging approaches. We revealed that, immediately after fusion, the somatic nucleus undergoes a dramatic removal of repressive histone modification marks, such as H3K9me3 and H3K273me3; followed by a late stage of global chromatin de-compaction as evidenced by a decreased nucelosomal density. Importantly, the transcriptional reactivation of the key pluripotency genes NANOG and OCT4 follows distinct mechanisms and kinetics, where a local, open chromatin environment preceded the late reactivation of NANOG, while OCT4 transcriptional reactivation occurs earlier and at higher levels without evident changes in its local nano-scale chromatin configuration.

Elucidar el mecanismo de reprogramación celular ha sido obstaculizado por las limitaciones de los sistemas de iPSCs para estudiar aquellas células siguiendo una trayectoria de reprogramación correcta. Aquí, usando el sistema altamente eficiente de reprogramación heterocarionte, dilucidamos la dinámica temporal de eventos moleculares importantes durante los estados tempranos de conversión a pluripotencia a nivel de célula única usando enfoques de microscopía de súper-resolución. Revelamos que, inmediatamente después de la fusión, el núcleo somático sufre una remoción dramática de marcas de histonas represivas, tales como H3K9me3 y H3K27me3, seguido por la decompactación global de la cromatina evidenciada por un decremento en la densidad nucleosomal. De manera importante, la reactivación transcripcional de los genes de pluripotencia NANOG y OCT4 siguen mecanismos y cinéticas distintas, donde un ambiente local de cromatina abierta precede la reactivación de NANOG, mientras que la reactivación transcripcional de OCT4 ocurre más tempranamente y a niveles mayores sin evidentes cambios en su configuración local de cromatina a nano-escala