Using fluorescence in situ hybridization we show striking differences in nuclear position, chromosome morphology, and interactions with nuclear substructure for human chromosomes 18 and 19. Human chromosome 19 is shown to adopt a more internal position in the nucleus than chromosome 18 and to be more extensively associated with the nuclear matrix. The more peripheral localization of chromosome 18 is established early in the cell cycle and is maintained thereafter. We show that the preferential localization of chromosomes 18 and 19 in the nucleus is reflected in the orientation of translocation chromosomes in the nucleus. Lastly, we show that the inhibition of transcription can have gross, but reversible, effects on chromosome architecture. Our data demonstrate that the distribution of genomic sequences between chromosomes has implications for nuclear structure and we discuss our findings in relation to a model of the human nucleus that is functionally compartmentalized.

The nuclear lamina (NL) interacts with hundreds of large genomic regions termed lamina associated domains (LADs). The dynamics of these interactions and the relation to epigenetic modifications are poorly understood. We visualized the fate of LADs in single cells using a "molecular contact memory" approach. In each nucleus, only ∼30% of LADs are positioned at the periphery; these LADs are in intermittent molecular contact with the NL but remain constrained to the periphery. Upon mitosis, LAD positioning is not detectably inherited but instead is stochastically reshuffled. Contact of individual LADs with the NL is linked to transcriptional repression and H3K9 dimethylation in single cells. Furthermore, we identify the H3K9 methyltransferase G9a as a regulator of NL contacts. Collectively, these results highlight principles of the dynamic spatial architecture of chromosomes in relation to gene regulation.

The colinearity of genes in Hox clusters suggests a role for chromosome structure in gene regulation. We reveal programmed changes in chromatin structure and nuclear organization upon induction of Hoxb expression by retinoic acid. There is an early increase in the histone modifications that are marks of active chromatin at both the early expressed gene Hoxb1, and also at Hoxb9 that is not expressed until much later. There is also a visible decondensation of the chromatin between Hoxb1 and Hoxb9 at this early stage. However, a further change in higher-order chromatin structure, looping out of genes from the chromosome territory, occurs in synchrony with the execution of the gene expression program. We suggest that higher-order chromatin structure regulates the expression of the HoxB cluster at several levels. Locus-wide changes in chromatin structure (histone modification and chromatin decondensation) may establish a transcriptionally poised state but are not sufficient for the temporal program of gene expression. The choreographed looping out of decondensed chromatin from chromosome territories may then allow for activation of high levels of transcription from the sequence of genes along the cluster.

In the developing mouse, the Wilms' tumour gene, WT1, is first expressed in the intermediate mesenchyme lateral to the coelomic cavity (13 somite, early 9 dpc embryo). A few hours later, it is present around all the cavity and in the urogenital ridge (the earliest mesonephric tubules) and the differentiating heart mesothelium. By 11 dpc, expression is in the uninduced metanephric mesenchyme and in the presumptive motor neurons of the spinal cord. By 12.5 dpc, WTI expression has increased in the induced mesenchyme of the kidney and a day later is particularly marked in the nephrogenic condensations. At 13.5 dpc, WTI is briefly expressed in some differentiating body-wall musculature, while two days later, there is a small domain of expression in the roof of the fourth ventricle of the brain. By day 20, however, expression has become restricted to the kidney glomeruli. RNA-PCR analysis on 12.5 dpc embryos and on adult tissues shows that WT1 is weakly expressed in both eye and tongue. The expression pattern in human embryos (28-70 days) is very similar to that in the equivalent mouse stages (10-15 dpc). The results indicate that WT1 is mainly present in mesodermally derived tissues, although exceptions are ectodermally derived spinal cord and brain. The data indicate that WT1 plays a role in mediating some cases of the mesenchyme-to-epithelial transition, but its expression elsewhere argues that it has other tissue-specific roles in development.

Background: In comparison with many nuclear proteins, the movement of chromatin in nuclei appears to be generally constrained. These restrictions on motion are proposed to reflect the attachment of chromatin to immobile nuclear substructures.Results: To gain insight into the regulation of chromosome dynamics by nuclear architecture, we have followed the movements of different sites in the human genome in living cells. Here, we show that loci at nucleoli or the nuclear periphery are significantly less mobile than other, more nucleoplasmic loci. Disruption of nucleoli increases the mobility of nucleolar-associated loci.Conclusions: This is the first report of distinct nuclear substructures constraining the movements of chromatin. These constraints reflect the physical attachment of chromatin to nuclear compartments or steric impairment caused by local ultrastructure. Our data suggest a role for the nucleolus and nuclear periphery in maintaining the three-dimensional organization of chromatin in the human nucleus.

The spatial organisation of the genome in the nucleus has a role in the regulation of gene expression. In vertebrates, chromosomal regions with low gene-density are located close to the nuclear periphery. Correlations have also been made between the transcriptional state of some genes and their location near the nuclear periphery. However, a crucial issue is whether this level of nuclear organisation directly affects gene function, rather than merely reflecting it. To directly investigate whether proximity to the nuclear periphery can influence gene expression in mammalian cells, here we relocate specific human chromosomes to the nuclear periphery by tethering them to a protein of the inner nuclear membrane. We show that this can reversibly suppress the expression of some endogenous human genes located near the tethering sites, and even genes further away. However, the expression of many other genes is not detectably reduced and we show that location at the nuclear periphery is not incompatible with active transcription. The dampening of gene expression around the nuclear periphery is dependent on the activity of histone deacetylases. Our data show that the radial position within the nucleus can influence the expression of some, but not all, genes. This is compatible with the suggestion that re-localisation of genes relative to the peripheral zone of the nucleus could be used by metazoans to modulate the expression of selected genes during development and differentiation.

How polycomb group proteins repress gene expression in vivo is not known. While histone-modifying activities of the polycomb repressive complexes (PRCs) have been studied extensively, in vitro data have suggested a direct activity of the PRC1 complex in compacting chromatin. Here, we investigate higher-order chromatin compaction of polycomb targets in vivo. We show that PRCs are required to maintain a compact chromatin state at Hox loci in embryonic stem cells (ESCs). There is specific decompaction in the absence of PRC2 or PRC1. This is due to a PRC1-like complex, since decompaction occurs in Ring1B null cells that still have PRC2-mediated H3K27 methylation. Moreover, we show that the ability of Ring1B to restore a compact chromatin state and to repress Hox gene expression is not dependent on its histone ubiquitination activity. We suggest that Ring1B-mediated chromatin compaction acts to directly limit transcription in vivo.

Abstract

 We have previously mapped the human azoospermia factor to a deletion in Y chromosome interval 6 (subinterval XII-XIV). We now report the isolation and characterization of a gene family located within this deletion. Analysis of the predicted protein products suggests a possible role in RNA processing or translational control during early spermatogenesis. The Y chromosome RNA recognition motif (YRRM) family includes a minimum of three members expressed specifically in the testis. Interphase in situ results and Southern blot analysis indicate that several further YRRM sequences map within interval 6. Several mammalian species show Y chromosome conservation of YRRM sequences. We have detected deletions of YRRM sequences in two oligospermic patients with no previously detectable mutation.

We present an analysis of chromatin fiber structure across the human genome. Compact and open chromatin fiber structures were separated by sucrose sedimentation and their distributions analyzed by hybridization to metaphase chromosomes and genomic microarrays. We show that compact chromatin fibers originate from some sites of heterochromatin (C-bands), and G-bands (euchromatin). Open chromatin fibers correlate with regions of highest gene density, but not with gene expression since inactive genes can be in domains of open chromatin, and active genes in regions of low gene density can be embedded in compact chromatin fibers. Moreover, we show that chromatin fiber structure impacts on further levels of chromatin condensation. Regions of open chromatin fibers are cytologically decondensed and have a distinctive nuclear organization. We suggest that domains of open chromatin may create an environment that facilitates transcriptional activation and could provide an evolutionary constraint to maintain clusters of genes together along chromosomes.