Abstract Microscale changes in tissue environment are translated to changes in cell behavior and phenotype, yet the mechanisms behind how these phenotypic changes occur are poorly understood. Here, we describe and model chromatin, which stores genetic information within the cell nucleus, as a dynamic nanomaterial whose configuration is modulated by chemo-mechanical cues in the microenvironment. Our findings indicate that physiologic chemo-mechanical cues can directly regulate chromatin architecture in progenitor cell populations. Via direct experimental observation and modeling that incorporates phase transitions and histone methylation kinetics, we demonstrate that soft environmental cues drive chromatin relocalization to the nuclear boundary and compaction. Conversely, dynamic stiffening attenuates these changes. Interestingly, in diseased human fibrous tissue cells, this link between mechanical inputs and chromatin nano-scale remodeling is abrogated. These data indicate that chromatin dynamics and plasticity may be hallmarks of disease progression and targets for therapeutic intervention.

Cells harbor numerous mesoscale membraneless compartments that house specific biochemical processes and perform distinct cellular functions. These protein and RNA-rich bodies are thought to form through multivalent interactions among proteins and nucleic acids resulting in demixing via liquid-liquid phase separation (LLPS). Proteins harboring intrinsically disordered regions (IDRs) predominate in membraneless organelles. However, it is not known whether IDR sequence alone can dictate the formation of distinct condensed phases. We identified a pair of IDRs capable of forming spatially distinct condensates when expressed in cells. When reconstituted in vitro, these model proteins do not co-partition, suggesting condensation specificity is encoded directly in the polypeptide sequences. Through computational modeling and mutagenesis, we identified the amino acids and chain properties governing homotypic and heterotypic interactions that direct selective condensation. These results form the basis of physicochemical principles that may direct subcellular organization of IDRs into specific condensates and reveal an IDR code that can guide construction of orthogonal membraneless compartments.

ABSTRACT The meniscus plays a critical role in knee mechanical function but is commonly injured given its central load bearing role. In the adult, meniscus repair is limited, given the low number of endogenous cells, the density of the matrix, and the limited vascularity. Menisci are fibrocartilaginous tissues composed of a micro-/nano-fibrous extracellular matrix (ECM) and a mixture of chondrocyte-like and fibroblast-like cells. Here, we developed a fibrous scaffold system that consists of bioactive components (decellularized meniscus ECM (dME) within a poly(e-caprolactone) material) fashioned into a biomimetic morphology (via electrospinning) to support and enhance meniscus cell function and matrix production. This work supports that the incorporation of dME into synthetic nanofibers increased hydrophilicity of the scaffold, leading to enhanced meniscus cell spreading, proliferation, and fibrochondrogenic gene expression. This work identifies a new biomimetic scaffold for therapeutic strategies to substitute or replace injured meniscus tissue. STATEMENT OF SIGNIFICANCE In this study, we show that a scaffold electrospun from a combination of synthetic materials and bovine decellularized meniscus ECM provides appropriate signals and a suitable template for meniscus fibrochondrocyte spreading, proliferation, and secretion of collagen and proteoglycans. Material characterization and in vitro cell studies support that this new bioactive material is susceptible to enzymatic digestion and supports meniscus-like tissue formation.