Essential genes have been effectively studied using temperature-sensitive alleles in yeast. Li et al. construct a large collection of temperature-sensitive yeast mutants and show how it enables high-throughput analyses of the function of essential genes. Conditional temperature-sensitive (ts) mutations are valuable reagents for studying essential genes in the yeast Saccharomyces cerevisiae. We constructed 787 ts strains, covering 497 (∼45%) of the 1,101 essential yeast genes, with ∼30% of the genes represented by multiple alleles. All of the alleles are integrated into their native genomic locus in the S288C common reference strain and are linked to a kanMX selectable marker, allowing further genetic manipulation by synthetic genetic array (SGA)–based, high-throughput methods. We show two such manipulations: barcoding of 440 strains, which enables chemical-genetic suppression analysis, and the construction of arrays of strains carrying different fluorescent markers of subcellular structure, which enables quantitative analysis of phenotypes using high-content screening. Quantitative analysis of a GFP-tubulin marker identified roles for cohesin and condensin genes in spindle disassembly. This mutant collection should facilitate a wide range of systematic studies aimed at understanding the functions of essential genes.

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 The nucleus is a mechanically stable compartment of the cell that contains the genome and performs many essential functions. Nuclear mechanical components chromatin and lamins maintain nuclear shape, compartmentalization, and function by resisting antagonistic actin contraction and confinement. However, studies have yet to compare chromatin and lamins perturbations side-by-side as well as modulated actin contraction while holding confinement constant. To accomplish this, we used NLS-GFP to measure nuclear shape and rupture in live cells with chromatin decompaction (VPA), loss of lamin B1 (LMNB1-/-), and loss of lamin A/C (LMNA-/-). We then modulated actin contraction while maintaining actin confinement measured by nuclear height. Wild type, chromatin decompaction, and lamin B1 null present bleb-based nuclear deformations and ruptures dependent on actin contraction and independent of actin confinement. Inhibition of actin contraction by Y27632 decreased nuclear blebbing and ruptures to near 0% of cells while activation of actin contraction by CN03 increased the frequency of ruptures by nearly two-fold. However, lamin A/C null results in overall abnormal shape, but similar blebs and ruptures as wild type which were unaffected by actin contraction modulation. Actin contraction control of nuclear shape and ruptures showed that DNA damage levels were more correlated with perturbed nuclear shape than they were with changes in nuclear ruptures. We reveal that lamin B1 is a chromatin decompaction phenotype because using GSK126, which mimics the loss of facultative heterochromatin in lamin B1 null, is sufficient to phenocopy increased nuclear blebbing and ruptures. Furthermore, even though blebs and ruptures in lamin A/C null cells are insensitive to actin contraction, they do have the capacity to form increased levels of nuclear blebs and bleb-based ruptures, shown by treating with VPA. Thus, nuclear bleb formation and bleb-based nuclear ruptures are driven by actin contraction and independent of changes in actin confinement.

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.

Mitosis is an essential process in which the duplicated genome is segregated equally into two daughter cells. CTCF has been reported to be present in mitosis but its importance for mitotic fidelity remains to be determined. To evaluate the importance of CTCF in mitosis, we tracked mitotic behaviors in wild type and two different CTCF CRISPR-based genetic knockdowns. We find that knockdown of CTCF results in prolonged mitoses and failed anaphase segregation via time lapse imaging of SiR-DNA. CTCF knockdown did not alter cell cycling or the mitotic checkpoint, which was activated upon nocodazole treatment. Immunofluorescence imaging of the mitotic spindle in CTCF knockdowns revealed disorganization via tri/tetrapolar spindles and chromosomes behind the spindle pole. Imaging of interphase nuclei showed that nuclear size increased drastically, consistent with failure to divide the duplicated genome in anaphase. Population measurements of nuclear shape in CTCF knockdowns do not display decreased circularity or increased nuclear blebbing relative to wild type. However, failed mitoses do display abnormal nuclear morphologies relative to successful mitoses, suggesting population images do not capture individual behaviors. Thus, CTCF is important for both proper metaphase organization and anaphase segregation which impacts the size and shape of the interphase nucleus.

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.

Abstract During cell division chromatin is compacted into mitotic chromosomes to aid faithful segregation of the genome between two daughter cells. Post-translational modifications (PTM) of histones alter compaction of interphase chromatin, but it remains poorly understood how these modifications affect mitotic chromosome stiffness and structure. Using micropipette-based force measurements and epigenetic drugs, we probed the influence of canonical histone PTMs that dictate interphase euchromatin (acetylation) and heterochromatin (methylation) on mitotic chromosome stiffness. By measuring chromosome doubling force (the force required to double chromosome length), we find that histone methylation, but not acetylation, contributes to mitotic structure and stiffness. We discuss our findings in the context of chromatin gel modeling of the large-scale organization of mitotic chromosomes.

Chromosomes are folded so that active and inactive chromatin domains are spatially segregated. Compartmentalization is thought to occur through polymer phase/microphase separation mediated by interactions between loci of similar type. The nature and dynamics of these interactions are not known. We developed liquid chromatin Hi-C to map the stability of associations between loci. Before fixation and Hi-C, chromosomes are fragmented removing the strong polymeric constraint to enable detection of intrinsic locus-locus interaction stabilities. Compartmentalization is stable when fragments are over 10-25 kb. Fragmenting chromatin into pieces smaller than 6 kb leads to gradual loss of genome organization. Dissolution kinetics of chromatin interactions vary for different chromatin domains. Lamin-associated domains are most stable, while interactions among speckle and polycomb-associated loci are more dynamic. Cohesin-mediated loops dissolve after fragmentation, possibly because cohesin rings slide off nearby DNA ends. Liquid chromatin Hi-C provides a genome-wide view of chromosome interaction dynamics.