Learning the distribution of single-cell chromosome conformations in bacteria reveals emergent order across genomic scales

新月形茎杆菌 染色体 细菌圆形染色体 生物 染色体构象捕获 计算生物学 基因组组织 基因组 细菌人工染色体 遗传学 细菌蛋白 基因 增强子 基因表达
作者
Joris J. B. Messelink,Muriel C. F. van Teeseling,Jacqueline Janssen,Martin Thanbichler,Chase P. Broedersz
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:12 (1) 被引量:27
标识
DOI:10.1038/s41467-021-22189-x
摘要

Abstract The order and variability of bacterial chromosome organization, contained within the distribution of chromosome conformations, are unclear. Here, we develop a fully data-driven maximum entropy approach to extract single-cell 3D chromosome conformations from Hi–C experiments on the model organism Caulobacter crescentus . The predictive power of our model is validated by independent experiments. We find that on large genomic scales, organizational features are predominantly present along the long cell axis: chromosomal loci exhibit striking long-ranged two-point axial correlations, indicating emergent order. This organization is associated with large genomic clusters we term Super Domains (SuDs), whose existence we support with super-resolution microscopy. On smaller genomic scales, our model reveals chromosome extensions that correlate with transcriptional and loop extrusion activity. Finally, we quantify the information contained in chromosome organization that may guide cellular processes. Our approach can be extended to other species, providing a general strategy to resolve variability in single-cell chromosomal organization.
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