Animal genomes are folded into loops and topologically associating domains (TADs) by CTCF and loop-extruding cohesins, but the live dynamics of loop formation and stability remain unknown. Here, we directly visualized chromatin looping at the Fbn2 TAD in mouse embryonic stem cells using super-resolution live-cell imaging and quantified looping dynamics by Bayesian inference. Unexpectedly, the Fbn2 loop was both rare and dynamic, with a looped fraction of approximately 3 to 6.5% and a median loop lifetime of approximately 10 to 30 minutes. Our results establish that the Fbn2 TAD is highly dynamic, and about 92% of the time, cohesin-extruded loops exist within the TAD without bridging both CTCF boundaries. This suggests that single CTCF boundaries, rather than the fully CTCF-CTCF looped state, may be the primary regulators of functional interactions.

Animal genomes are folded into loops and topologically associating domains (TADs) by CTCF and cohesin, but whether these loops are stable or dynamic is unknown. Here, we directly visualize chromatin looping at the Fbn2 TAD in mouse embryonic stem cells using super-resolution live-cell imaging and quantify looping dynamics by Bayesian inference. Our results are consistent with cohesin-mediated loop extrusion in cells, and with CTCF both stopping and stabilizing cohesin. Surprisingly, the Fbn2 loop is both rare and dynamic, with a looped fraction of ~3-6.5% and a median loop lifetime of ~10-30 minutes. Instead of a stable loop, our results establish a highly dynamic view of TADs and loops where the Fbn2 TAD exists predominantly in a partially extruded conformation. This dynamic and quantitative view of TADs may facilitate a mechanistic understanding of their functions.

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.

Scale-free, or fractal, models are prevalent in the study of chromosome structure, dynamics, and mechanics. Recent experiments suggest the existence of scaling relationships; but currently there is no single model consistent with all observed exponents. We present a simple argument characterizing the space of scale-free models for chromosome structure, dynamics, and mechanics and discuss the implications for a consistent treatment. Our framework helps reconciling seemingly contradictory data and identifies specific experimental questions to be addressed in future work.