T cells in the brains of Toxoplasma-infected mice are shown to move by Lévy-like walks. T cells are an important first point of contact between the immune system and invading pathogens. The currently accepted model of the early stages of the immune reaction, in which the T cells encounter the invader, is that of a Brownian random walk. This paper reports the use of in vivo multiphoton microscopy to demonstrate that the chemokine CXCL10 enhances the ability of CD8+ T cells to control the protozoon pathogen Toxoplasma gondii. Surprisingly, the in vivo imaging reveals that T cells in the brains of mice infected with T. gondii move not by Brownian-type motion but instead follow a Lévy walk pattern of runs punctuated by periodic pauses. Mathematical simulations suggest that this mode of movement increases the chances of finding targets at unknown locations. Chemokines have a central role in regulating processes essential to the immune function of T cells1,2,3, such as their migration within lymphoid tissues and targeting of pathogens in sites of inflammation. Here we track T cells using multi-photon microscopy to demonstrate that the chemokine CXCL10 enhances the ability of CD8+ T cells to control the pathogen Toxoplasma gondii in the brains of chronically infected mice. This chemokine boosts T-cell function in two different ways: it maintains the effector T-cell population in the brain and speeds up the average migration speed without changing the nature of the walk statistics. Notably, these statistics are not Brownian; rather, CD8+ T-cell motility in the brain is well described by a generalized Lévy walk. According to our model, this unexpected feature enables T cells to find rare targets with more than an order of magnitude more efficiency than Brownian random walkers. Thus, CD8+ T-cell behaviour is similar to Lévy strategies reported in organisms ranging from mussels to marine predators and monkeys4,5,6,7,8,9,10, and CXCL10 aids T cells in shortening the average time taken to find rare targets.

The cell nucleus must continually resist and respond to intercellular and intracellular mechanical forces to transduce mechanical signals and maintain proper genome organization and expression. Altered nuclear mechanics is associated with many human diseases, including heart disease, progeria, and cancer. Chromatin and nuclear envelope A-type lamin proteins are known to be key nuclear mechanical components perturbed in these diseases, but their distinct mechanical contributions are not known. Here we directly establish the separate roles of chromatin and lamin A/C and show that they determine two distinct mechanical regimes via micromanipulation of single isolated nuclei. Chromatin governs response to small extensions (<3 μm), and euchromatin/heterochromatin levels modulate the stiffness. In contrast, lamin A/C levels control nuclear strain stiffening at large extensions. These results can be understood through simulations of a polymeric shell and cross-linked polymer interior. Our results provide a framework for understanding the differential effects of chromatin and lamin A/C in cell nuclear mechanics and their alterations in disease.

Chromatin decompaction via increasing euchromatin or decreasing heterochromatin results in a softer nucleus and abnormal nuclear blebbing, independent of lamin perturbations. Conversely, increasing heterochromatin stiffens the nucleus and rescues nuclear morphology in lamin-perturbed cells that present abnormal nuclear morphology.

Abstract Cohesin folds mammalian interphase chromosomes by extruding the chromatin fiber into numerous loops. “Loop extrusion” can be impeded by chromatin-bound factors, such as CTCF, which generates characteristic and functional chromatin organization patterns. It has been proposed that transcription relocalizes or interferes with cohesin, and that active promoters are cohesin loading sites. However, the effects of transcription on cohesin have not been reconciled with observations of active extrusion by cohesin. To determine how transcription modulates extrusion, we studied mouse cells in which we could alter cohesin abundance, dynamics, and localization by genetic ‘knockouts’ of the cohesin regulators CTCF and Wapl. Through Hi-C experiments, we discovered intricate, cohesin-dependent contact patterns near active genes. Chromatin organization around active genes exhibited hallmarks of interactions between transcribing RNA polymerases (RNAPs) and extruding cohesins. These observations could be reproduced by polymer simulations in which RNAPs were “moving barriers” to extrusion that obstructed, slowed, and pushed cohesins. The simulations predicted that preferential loading of cohesin at promoters is inconsistent with our experimental data. Additional ChIP-seq experiments showed that the putative cohesin loader Nipbl is not predominantly enriched at promoters. Therefore, we propose that cohesin is not preferentially loaded at promoters and that the barrier function of RNAP accounts for cohesin accumulation at active promoters. Altogether, we find that RNAP is a new type of extrusion barrier that is not stationary, but rather, translocates and relocalizes cohesin. Loop extrusion and transcription might interact to dynamically generate and maintain gene interactions with regulatory elements and shape functional genomic organization. Significance Statement Loop extrusion by cohesin is critical to folding the mammalian genome into loops. Extrusion can be halted by CTCF proteins bound at specific genomic loci, which generates chromosomal domains and can regulate gene expression. However, the process of transcription itself can modulate cohesin, thus refolding chromosomes near active genes. Through experiments and simulations, we show that transcribing RNA polymerases (RNAPs) act as “moving barriers” to loop-extruding cohesins. Unlike stationary CTCF barriers, RNAPs actively relocalize cohesins, which generates characteristic patterns of spatial organization around active genes. Our model predicts that the barrier function of RNAP can explain why cohesin accumulates at active promoters and provides a mechanism for clustering active promoters. Through transcription-extrusion interactions, cells might dynamically regulate functional genomic contacts.

Abstract Cohesin and CCCTC-binding factor (CTCF) are key regulatory proteins of three-dimensional (3D) genome organization. Cohesin extrudes DNA loops that are anchored by CTCF in a polar orientation. Here, we present direct evidence that CTCF binding polarity controls cohesin-mediated DNA looping. Using single-molecule imaging of CTCF-cohesin collisions, we demonstrate that a critical N-terminal motif of CTCF blocks cohesin translocation and DNA looping. The cryo-electron microscopy structure of the intact cohesin-CTCF complex reveals that this CTCF motif ahead of zinc-fingers can only reach its binding site on the STAG1 cohesin subunit when the N-terminus of CTCF faces cohesin. Remarkably, a C-terminally oriented CTCF accelerates DNA compaction by cohesin. DNA-bound Cas9 and Cas12a ribonucleoproteins are also polar cohesin barriers, indicating that stalling is intrinsic to cohesin itself, and other proteins can substitute for CTCF in fruit flies and other eukaryotes. Finally, we show that RNA-DNA hybrids (R-loops) block cohesin-mediated DNA compaction in vitro and are enriched with cohesin subunits in vivo, likely forming TAD boundaries. Our results provide direct evidence that CTCF orientation and R-loops shape the 3D genome by directly regulating cohesin.

Abstract Chromatin, which consists of DNA and associated proteins, contains genetic information and is a mechanical component of the nucleus. Heterochromatic histone methylation controls nucleus and chromosome stiffness, but the contribution of heterochromatin protein HP1α (CBX5) is unknown. We used a novel HP1α auxin-inducible degron human cell line to rapidly degrade HP1α. Degradation did not alter transcription, local chromatin compaction, or histone methylation, but did decrease chromatin stiffness. Single-nucleus micromanipulation reveals that HP1α is essential to chromatin-based mechanics and maintains nuclear morphology, separate from histone methylation. Further experiments with dimerization-deficient HP1α I165E indicate that chromatin crosslinking via HP1α dimerization is critical, while polymer simulations demonstrate the importance of chromatin-chromatin crosslinkers in mechanics. In mitotic chromosomes, HP1α similarly bolsters stiffness while aiding in mitotic alignment and faithful segregation. HP1α is therefore a critical chromatin-crosslinking protein that provides mechanical strength to chromosomes and the nucleus throughout the cell cycle and supports cellular functions.

Abstract Chromatin is an essential component of nuclear mechanical response and shape that maintains nuclear compartmentalization and function. The biophysical properties of chromatin alter nuclear shape and stability, but little is known about whether or how major genomic functions can impact the integrity of the nucleus. We hypothesized that transcription might affect cell nuclear shape and rupture through its effects on chromatin structure and dynamics. To test this idea, we inhibited transcription with the RNA polymerase II inhibitor alpha-amanitin in wild type cells and perturbed cells that present increased nuclear blebbing. Transcription inhibition suppresses nuclear blebbing for several cell types, nuclear perturbations, and transcription inhibitors. Furthermore, transcription is necessary for robust nuclear bleb formation, bleb stabilization, and bleb-based nuclear ruptures. These morphological effects appear to occur through a novel biophysical pathway, since transcription does not alter either chromatin histone modification state or nuclear rigidity, which typically control nuclear blebbing. We find that active/phosphorylated RNA pol II Ser5, marking transcription initiation, is enriched in nuclear blebs relative to DNA. Thus, transcription initiation is a hallmark of nuclear blebs. Polymer simulations suggest that motor activity within chromatin, such as that of RNA pol II, can generate active forces that deform the nuclear periphery, and that nuclear deformations depend on motor dynamics. Our data provide evidence that the genomic function of transcription impacts nuclear shape stability, and suggests a novel mechanism, separate and distinct from chromatin rigidity, for regulating large-scale nuclear shape and function.

Abstract Our understanding of the physical principles organizing the genome in the nucleus is limited by the lack of tools to directly exert and measure forces on interphase chromosomes in vivo and probe their material nature. Here, we present a novel approach to actively manipulate a genomic locus using controlled magnetic forces inside the nucleus of a living human cell. We observe viscoelastic displacements over microns within minutes in response to near-picoNewton forces, which are well captured by a Rouse polymer model. Our results highlight the fluidity of chromatin, with a moderate contribution of the surrounding material, revealing the minor role of crosslinks and topological effects and challenging the view that interphase chromatin is a gel-like material. Our new technology opens avenues for future research, from chromosome mechanics to genome functions.

Abstract SMC complexes, such as condensin or cohesin, organize chromatin throughout the cell cycle by a process known as loop extrusion. SMC complexes reel in DNA, extruding and progressively growing DNA loops. Modeling assuming two-sided loop extrusion reproduces key features of chromatin organization across different organisms. In vitro single-molecule experiments confirmed that yeast condensins extrude loops, however, they remain anchored to their loading sites and extrude loops in a “one-sided” manner. We therefore simulate one-sided loop extrusion to investigate whether “one-sided” complexes can compact mitotic chromosomes, organize interphase domains, and juxtapose bacterial chromosomal arms, as can be done by “two-sided” loop extruders. While one-sided loop extrusion cannot reproduce these phenomena, variants can recapitulate in vivo observations. We predict that SMC complexes in vivo constitute effectively two-sided motors or exhibit biased loading and propose relevant experiments. Our work suggests that loop extrusion is a viable general mechanism of chromatin organization. Impact statement We reconcile seemingly contradictory findings of single-molecule and in vivo experiments on a major mechanism of chromosome organization by computationally investigating mechanisms of loop extrusion that are consistent with both.

The cell nucleus houses the chromosomes, which are linked to a soft shell of lamin filaments. Experiments indicate that correlated chromosome dynamics and nuclear shape fluctuations arise from motor activity. To identify the physical mechanisms, we develop a model of an active, crosslinked Rouse chain bound to a polymeric shell. System-sized correlated motions occur but require both motor activity and crosslinks. Contractile motors, in particular, enhance chromosome dynamics by driving anomalous density fluctuations. Nuclear shape fluctuations depend on motor strength, crosslinking, and chromosome-lamina binding. Therefore, complex chromatin dynamics and nuclear shape emerge from a minimal, active chromosome-lamina system.