Abstract Understanding chromatin organization requires integrating measurements of genome connectivity and physical structure. Prior work demonstrates that RAD21 depletion results in the complete loss of topologically associated and loop domains on Hi-C, but the corresponding change in physical structure has not been studied using electron microscopy. Pairing chromatin scanning transmission electron tomography with Hi-C, we study the role of cohesin in regulating the spatially resolved, conformationally defined chromatin packing domains. We find that only 20% of packing domains are lost on electron microscopy upon RAD21 depletion with the effect primarily on small, poorly packed (nascent) domains. Overall, this contrasts with the prevailing understanding of genome regulation, indicating that while cohesin influences domain formation, non-cohesin mediated mechanisms predominantly regulate the 3D genomic physical structure.

Abstract Nuclear blebs are herniations of the nucleus that occur in diseased nuclei that cause nuclear rupture leading to cellular dysfunction. Chromatin and lamins are two of the major structural components of the nucleus that maintain its shape and function, but their relative roles in nuclear blebbing remain elusive. Lamin B is reported to be lost in blebs by qualitative data while quantitative studies reveal a spectrum of lamin B levels in nuclear blebs dependent on perturbation and cell type. Chromatin has been reported to be decreased or de-compacted in nuclear blebs, but again the data are not conclusive. To determine the composition of nuclear blebs, we compared the immunofluorescence intensity of lamin B and DNA in the main nucleus body and nuclear bleb across cell types and perturbations. Lamin B nuclear bleb levels varied drastically across MEF wild type and chromatin or lamins perturbations, HCT116 lamin B1-GFP imaging, and human disease model cells of progeria and prostate cancer. However, DNA concentration was consistently decreased to about half that of the main nucleus body across all measured conditions. Using Partial Wave Spectroscopic (PWS) microscopy to measure chromatin density in the nuclear bleb vs body we find similar results that DNA is consistently less dense in nuclear blebs. Thus, our data spanning many different cell types and perturbations supports that decreased DNA is a better marker of a nuclear bleb than lamin B levels that vary widely.

In eukaryotic cells, chromatin structure is linked to transcription processes through the regulation of genome organization. Extending across multiple length-scales - from the nucleosome to higher-order three-dimensional structures - chromatin is a dynamic system which evolves throughout the lifetime of a cell. However, no individual technique can fully elucidate the behavior of chromatin organization and its relation to molecular function at all length- and timescales at both a single-cell and a cell population level. Herein, we present a multi-technique nanoscale Chromatin Imaging and Analysis (nano-ChIA) platform that bridges electron tomography and optical superresolution imaging of chromatin conformation and transcriptional processes, with resolution down to the level of individual nucleosomes, with high-throughput, label-free analysis of chromatin packing and its dynamics in live cells. Utilizing nano-ChIA, we observed that chromatin is localized into spatially separable packing domains, with an average diameter of around 200 nm, sub-Mb genomic size, and an internal fractal structure. The chromatin packing behavior of these domains is directly influenced by active gene transcription. Furthermore, we demonstrated that the chromatin packing domain structure is correlated among progenitor cells and all their progeny, indicating that the organization of chromatin into fractal packing domains is heritable across cell division. Further studies employing the nano-ChIA platform have the potential to provide a more coherent picture of chromatin structure and its relation to molecular function.

Abstract As imaging techniques rapidly evolve to probe nanoscale genome organization at higher resolution, it is critical to consider how the reagents and procedures involved in sample preparation affect chromatin at the relevant length scales. Here, we investigate the effects of fluorescent labeling of DNA sequences within chromatin using the gold standard technique of three-dimensional fluorescence in situ hybridization (3D FISH). The chemical reagents involved in the 3D FISH protocol, specifically formamide, cause significant alterations to the sub-200 nm (sub-Mbp) chromatin structure. Alternatively, two labeling methods that do not rely on formamide denaturation, resolution after single-strand exonuclease resection (RASER)-FISH and clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)-Sirius, had minimal impact on the three-dimensional organization of chromatin. We present a polymer physics-based analysis of these protocols with guidelines for their interpretation when assessing chromatin structure using currently available techniques.

ABSTRACT Disrupted nuclear shape is associated with multiple pathological processes including premature aging disorders, cancer-relevant chromosomal rearrangements, and DNA damage. Nuclear blebs (i.e., herniations of the nuclear envelope) have been induced by (1) nuclear compression, (2) nuclear migration (e.g., cancer metastasis), (3) actin contraction, (4) lamin mutation or depletion, and (5) heterochromatin enzyme inhibition. Recent work has shown that chromatin transformation is a hallmark of bleb formation, but the transformation of higher-order structures in blebs is not well understood. As higher-order chromatin has been shown to assemble into nanoscopic packing domains, we investigated if (1) packing domain organization is altered within nuclear blebs and (2) if alteration in packing domain structure contributed to bleb formation. Using Dual-Partial Wave Spectroscopic microscopy, we show that chromatin packing domains within blebs are transformed both by B-type lamin depletion and the inhibition of heterochromatin enzymes compared to the nuclear body. Pairing these results with single-molecule localization microscopy of constitutive heterochromatin, we show fragmentation of nanoscopic heterochromatin domains within bleb domains. Overall, these findings indicate that translocation into blebs results in a fragmented higher-order chromatin structure. SUMMARY STATEMENT Nuclear blebs are linked to various pathologies, including cancer and premature aging disorders. We investigate alterations in higher-order chromatin structure within blebs, revealing fragmentation of nanoscopic heterochromatin domains.

Abstract In interphase nuclei, chromatin is organized into interspersed dense domains with characteristic sizes, both in the nuclear interior and periphery. However, the quantitative impact of transcription and histone modifications on the size and distribution of these domains remains unclear. Here, we introduce a mesoscale theoretical model that investigates the relationship between heterochromatic domain sizes and loop extrusion rates from these domains. The model considers chromatin-chromatin and chromatin-lamina interactions, methylation and acetylation kinetics, and diffusion of epigenetic marks and nucleoplasm. Our model generates testable predictions that help reveal the biophysics underlying chromatin organization in the presence of transcription-driven loop extrusion. This process is kinetically captured through the conversion of heterochromatin to euchromatin in response to RNAPII activity. We discovered that a balance between diffusive and reactive fluxes governs the steady-state sizes of heterochromatin domains. Using theory and simulations, we predicted that a loss of transcription results in increased chromatin compaction and larger heterochromatin domain sizes. To validate our predictions, we employed complementary super-resolution and nano-imaging techniques on five different cell lines with impaired transcription. We quantitatively assessed how domain sizes scale with loop extrusion rates at the hetero-euchromatin interfaces. Our analysis of previously obtained super-resolution images of nuclei revealed that excessive loop extrusion leads to smaller heterochromatin domains. The model successfully recapitulated these observations, explaining how transcription loss can counteract the effects of cohesin overloading. As the general biophysical mechanisms regulating heterochromatin domain sizes are independent of cell type, our findings have significant implications for understanding the role of transcription in global genome organization.

Nuclear blebs are herniations of the nucleus that occur in diseased nuclei that cause nuclear rupture leading to cellular dysfunction. Chromatin and lamins are two of the major structural components of the nucleus that maintain its shape and function, but their relative roles in nuclear blebbing remain elusive. To determine the composition of nuclear blebs, we compared the immunofluorescence intensity of DNA and lamin B in the main nucleus body to the nuclear bleb across cell types and perturbations. DNA density in the nuclear bleb was consistently decreased to about half of the nuclear body while lamin B levels in the nuclear bleb varied widely. Partial Wave Spectroscopic (PWS) microscopy recapitulated significantly decreased likelihood of high-density domains in the nuclear bleb versus body, independent of lamin B. Time lapse imaging into immunofluorescence reveals that decreased DNA density marks all nuclear blebs while decreased lamin B1 levels only occur in blebs that have recently ruptured. Thus, decreased DNA density is a better marker of a nuclear bleb than lamin B level.

As imaging techniques rapidly evolve to probe nanoscale genome organization at higher resolution, it is critical to consider how the reagents and procedures involved in sample preparation affect chromatin at the relevant length scales. Here, we investigate the effects of fluorescent labeling of DNA sequences within chromatin using the gold standard technique of three-dimensional fluorescence in situ hybridization (3D FISH). The chemical reagents involved in the 3D FISH protocol, specifically formamide, cause significant alterations to the sub-200 nm (sub-Mbp) chromatin structure. Alternatively, two labeling methods that do not rely on formamide denaturation, resolution after single-strand exonuclease resection (RASER)-FISH and clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)-Sirius, had minimal impact on the three-dimensional organization of chromatin. We present a polymer physics-based analysis of these protocols with guidelines for their interpretation when assessing chromatin structure using currently available techniques.

B-type lamins are critical nuclear envelope proteins that interact with the 3D genomic architecture. However, identifying the direct roles of B-lamins on dynamic genome organization has been challenging as their joint depletion severely impacts cell viability. To overcome this, we engineered mammalian cells to rapidly and completely degrade endogenous B-type lamins using Auxin-inducible degron (AID) technology.Paired with a suite of novel technologies, live-cell Dual Partial Wave Spectroscopic (Dual-PWS) microscopy, in situ Hi-C, and CRISPR-Sirius, we demonstrate that lamin B1 and lamin B2 depletion transforms chromatin mobility, heterochromatin positioning, gene expression, and loci-positioning with minimal disruption to mesoscale chromatin folding. Using the AID system, we show that the disruption of B-lamins alters gene expression both within and outside lamin associated domains, with distinct mechanistic patterns depending on their localization. Critically, we demonstrate that chromatin dynamics, positioning of constitutive and facultative heterochromatic markers, and chromosome positioning near the nuclear periphery are significantly altered, indicating that the mechanism of action of B-type lamins is derived from their role in maintaining chromatin dynamics and spatial positioning.Our findings suggest that the mechanistic role of B-type lamins is stabilization of heterochromatin and chromosomal positioning along the nuclear periphery. We conclude that degrading lamin B1 and lamin B2 has several functional consequences related to both structural disease and cancer.