Chromosomal Mapping The conformation of the genome in the nucleus and contacts between both proximal and distal loci influence gene expression. In order to map genomic contacts, Lieberman-Aiden et al. (p. 289 , see the cover) developed a technique to allow the detection of all interactions between genomic loci in the eukaryotic nucleus followed by deep sequencing. This technology was used to map the organization of the human genome and to examine the spatial proximity of chromosomal loci at one megabase resolution. The map suggests that the genome is partitioned into two spatial compartments that are related to local chromatin state and whose remodeling correlates with changes in the chromatin state.

Summary

 Topologically associating domains (TADs) are fundamental structural and functional building blocks of human interphase chromosomes, yet the mechanisms of TAD formation remain unclear. Here, we propose that loop extrusion underlies TAD formation. In this process, cis-acting loop-extruding factors, likely cohesins, form progressively larger loops but stall at TAD boundaries due to interactions with boundary proteins, including CTCF. Using polymer simulations, we show that this model produces TADs and finer-scale features of Hi-C data. Each TAD emerges from multiple loops dynamically formed through extrusion, contrary to typical illustrations of single static loops. Loop extrusion both explains diverse experimental observations—including the preferential orientation of CTCF motifs, enrichments of architectural proteins at TAD boundaries, and boundary deletion experiments—and makes specific predictions for the depletion of CTCF versus cohesin. Finally, loop extrusion has potentially far-ranging consequences for processes such as enhancer-promoter interactions, orientation-specific chromosomal looping, and compaction of mitotic chromosomes.

ICE (iterative correction and eigenvector decomposition) provides insight into inter- and intrachromosome interaction patterns. Extracting biologically meaningful information from chromosomal interactions obtained with genome-wide chromosome conformation capture (3C) analyses requires the elimination of systematic biases. We present a computational pipeline that integrates a strategy to map sequencing reads with a data-driven method for iterative correction of biases, yielding genome-wide maps of relative contact probabilities. We validate this ICE (iterative correction and eigenvector decomposition) technique on published data obtained by the high-throughput 3C method Hi-C, and we demonstrate that eigenvector decomposition of the obtained maps provides insights into local chromatin states, global patterns of chromosomal interactions, and the conserved organization of human and mouse chromosomes.

Chromosome Conundrum The three-dimensional organization of chromosomal DNA within the cell nucleus plays an important role in gene regulation. Naumova et al. (p. 948 , published online 7 November; see the Perspective by Kleckner et al. ) used chromosome conformation capture-based methods in human tissue culture cells to analyze the higher order folding of human chromosomes across the cell cycle. During interphase the chromosomes showed locus-specific compart-mentalization. In mitotic cells, on the other hand, the chromosome organization was more linear, consistent with arrays of consecutive chromatin loops.

Using super-resolution imaging to directly observe the three-dimensional organization of Drosophila chromatin at a scale spanning sizes from individual genes to entire gene regulatory domains, the authors find that transcriptionally active, inactive and Polycomb-repressed chromatin states each have a distinct spatial organisation. How chromatin is folded in the nucleus has important implications for many biological processes, from the regulation of gene expression to DNA replication. Here Xiaowei Zhuang and colleagues use super-resolution imaging to directly observe the organization of Drosophila chromatin at a scale spanning the sizes of individual genes and gene regulatory domains. They find that transcriptionally active, inactive, and Polycomb-repressed chromatin states each have a distinct spatial organization. Transcriptionally inactive chromatin resembles the fractal globule state of a polymer, whereas Polycomb domains have a unique compact organization and spatial isolation from other domains, explaining why gene expression is so strongly repressed in this state. Metazoan genomes are spatially organized at multiple scales, from packaging of DNA around individual nucleosomes to segregation of whole chromosomes into distinct territories1,2,3,4,5. At the intermediate scale of kilobases to megabases, which encompasses the sizes of genes, gene clusters and regulatory domains, the three-dimensional (3D) organization of DNA is implicated in multiple gene regulatory mechanisms2,3,4,6,7,8, but understanding this organization remains a challenge. At this scale, the genome is partitioned into domains of different epigenetic states that are essential for regulating gene expression9,10,11. Here we investigate the 3D organization of chromatin in different epigenetic states using super-resolution imaging. We classified genomic domains in Drosophila cells into transcriptionally active, inactive or Polycomb-repressed states, and observed distinct chromatin organizations for each state. All three types of chromatin domains exhibit power-law scaling between their physical sizes in 3D and their domain lengths, but each type has a distinct scaling exponent. Polycomb-repressed domains show the densest packing and most intriguing chromatin folding behaviour, in which chromatin packing density increases with domain length. Distinct from the self-similar organization displayed by transcriptionally active and inactive chromatin, the Polycomb-repressed domains are characterized by a high degree of chromatin intermixing within the domain. Moreover, compared to inactive domains, Polycomb-repressed domains spatially exclude neighbouring active chromatin to a much stronger degree. Computational modelling and knockdown experiments suggest that reversible chromatin interactions mediated by Polycomb-group proteins play an important role in these unique packaging properties of the repressed chromatin. Taken together, our super-resolution images reveal distinct chromatin packaging for different epigenetic states at the kilobase-to-megabase scale, a length scale that is directly relevant to genome regulation.

Using a single-nucleus Hi-C protocol, the authors find that spatial organization of chromatin during oocyte-to-zygote transition differs between paternal and maternal nuclei within a single-cell zygote. It has been difficult to investigate chromosome organization in early embryos with genomic techniques owing to the paucity of cellular material. Here, Kikuë Tachibana-Konwalski and colleagues have developed a single-nucleus Hi-C protocol, which they apply to investigate chromatin organization during the developmental transition from oocytes to zygotes in mice. They find that chromatin architecture is distinct in the paternal and maternal pronuclei within a single-cell zygote. Zygotic maternal nuclei contain topological domains and loops but no A–B compartments, whereas compartments can be observed in paternal nuclei. Clusters of contacts are variable between individual cells and do not always match topological domains across populations. The authors propose that the organization of zygotic maternal chromatin represents a transition state towards that of totipotent cells. Chromatin is reprogrammed after fertilization to produce a totipotent zygote with the potential to generate a new organism1. The maternal genome inherited from the oocyte and the paternal genome provided by sperm coexist as separate haploid nuclei in the zygote. How these two epigenetically distinct genomes are spatially organized is poorly understood. Existing chromosome conformation capture-based methods2,3,4,5 are not applicable to oocytes and zygotes owing to a paucity of material. To study three-dimensional chromatin organization in rare cell types, we developed a single-nucleus Hi-C (high-resolution chromosome conformation capture) protocol that provides greater than tenfold more contacts per cell than the previous method2. Here we show that chromatin architecture is uniquely reorganized during the oocyte-to-zygote transition in mice and is distinct in paternal and maternal nuclei within single-cell zygotes. Features of genomic organization including compartments, topologically associating domains (TADs) and loops are present in individual oocytes when averaged over the genome, but the presence of each feature at a locus varies between cells. At the sub-megabase level, we observed stochastic clusters of contacts that can occur across TAD boundaries but average into TADs. Notably, we found that TADs and loops, but not compartments, are present in zygotic maternal chromatin, suggesting that these are generated by different mechanisms. Our results demonstrate that the global chromatin organization of zygote nuclei is fundamentally different from that of other interphase cells. An understanding of this zygotic chromatin ‘ground state’ could potentially provide insights into reprogramming cells to a state of totipotency.

Significance Human DNA is 2 m long and is folded into a 10-μm-sized cellular nucleus. Experiments have revealed two major features of genome organization: Segregation of alternating active and inactive regions into compartments, and formation of compacted local domains. These were hypothesized to be formed by different mechanisms: Compartments can be formed by microphase separation and domains by active, motor-driven, loop extrusion. Here, we integrate these mechanisms into a polymer model and show that their interplay coherently explains diverse experimental data for wild-type and mutant cells. Our results provide a framework for the interpretation of chromosome organization in cellular phenotypes and highlight that chromatin is a complex, active matter shaped by an interplay of phase segregation and loop extrusion.

Caulobacter Chromosome Chromosomal DNA must be highly compacted to fit within the tiny volume of the cell, while at the same time it must maintain a conformation that allows critical cellular processes access to the genome. Le et al. (p. 731 , published online 24 October) analyzed the structure of the circular chromosome in the prokaryote Caulobacter crescentus by using chromosome conformation capture and deep-sequencing. Highly self-interacting regions (chromosomal interaction domains, or CIDs) were observed—similar to the topologically associated domains previously seen in eukaryotes. Supercoiling helped to establish CIDs, and CID boundaries were defined by highly expressed genes. CIDs appeared to be established during or shortly after DNA replication, and could potentially facilitate chromosomal segregation by preventing newly replicated chromosomes from becoming entangled.

The nucleus of mammalian cells displays a distinct spatial segregation of active euchromatic and inactive heterochromatic regions of the genome1,2. In conventional nuclei, microscopy shows that euchromatin is localized in the nuclear interior and heterochromatin at the nuclear periphery1,2. Genome-wide chromosome conformation capture (Hi-C) analyses show this segregation as a plaid pattern of contact enrichment within euchromatin and heterochromatin compartments3, and depletion between them. Many mechanisms for the formation of compartments have been proposed, such as attraction of heterochromatin to the nuclear lamina2,4, preferential attraction of similar chromatin to each other1,4–12, higher levels of chromatin mobility in active chromatin13–15 and transcription-related clustering of euchromatin16,17. However, these hypotheses have remained inconclusive, owing to the difficulty of disentangling intra-chromatin and chromatin–lamina interactions in conventional nuclei18. The marked reorganization of interphase chromosomes in the inverted nuclei of rods in nocturnal mammals19,20 provides an opportunity to elucidate the mechanisms that underlie spatial compartmentalization. Here we combine Hi-C analysis of inverted rod nuclei with microscopy and polymer simulations. We find that attractions between heterochromatic regions are crucial for establishing both compartmentalization and the concentric shells of pericentromeric heterochromatin, facultative heterochromatin and euchromatin in the inverted nucleus. When interactions between heterochromatin and the lamina are added, the same model recreates the conventional nuclear organization. In addition, our models allow us to rule out mechanisms of compartmentalization that involve strong euchromatin interactions. Together, our experiments and modelling suggest that attractions between heterochromatic regions are essential for the phase separation of the active and inactive genome in inverted and conventional nuclei, whereas interactions of the chromatin with the lamina are necessary to build the conventional architecture from these segregated phases. Attractions between heterochromatic regions are essential for phase separation of the active and inactive genome in inverted and conventional nuclei, whereas chromatin–lamina interactions are necessary to build the conventional genomic architecture from these segregated phases.

Mammalian interphase chromosomes interact with the nuclear lamina (NL) through hundreds of large lamina-associated domains (LADs). We report a method to map NL contacts genome-wide in single human cells. Analysis of nearly 400 maps reveals a core architecture consisting of gene-poor LADs that contact the NL with high cell-to-cell consistency, interspersed by LADs with more variable NL interactions. The variable contacts tend to be cell-type specific and are more sensitive to changes in genome ploidy than the consistent contacts. Single-cell maps indicate that NL contacts involve multivalent interactions over hundreds of kilobases. Moreover, we observe extensive intra-chromosomal coordination of NL contacts, even over tens of megabases. Such coordinated loci exhibit preferential interactions as detected by Hi-C. Finally, the consistency of NL contacts is inversely linked to gene activity in single cells and correlates positively with the heterochromatic histone modification H3K9me3. These results highlight fundamental principles of single-cell chromatin organization.Video AbstracteyJraWQiOiI4ZjUxYWNhY2IzYjhiNjNlNzFlYmIzYWFmYTU5NmZmYyIsImFsZyI6IlJTMjU2In0.eyJzdWIiOiI4ODQ5MWUxMzY3ZjJjYzMyZGY0ZTUwNDM4ZDkzODI2YiIsImtpZCI6IjhmNTFhY2FjYjNiOGI2M2U3MWViYjNhYWZhNTk2ZmZjIiwiZXhwIjoxNjc4NDQ3NzA5fQ.WDISeQbMars3afd3xU31ad0as2CapR6MBdvrmShLZbNLL7pc4Oa_VcEGoid_8nFRk8gToTt_3kYc1VG3v53Dp3VPaqIy-d5IFFkTbJdYat98x2tWpWt6ONCnsutlxJI_Il6mHghaVyN8qydH-fumo9rQ_uLcfIWaVkgcmSs1YFmIj5IxiAlo0WQNe2ckYcP4hP2AM-VJvaLwOyGINV8Z78bXOw73T0RROTCsI6K5HfTTtleYucPrYM4NLiV2Jl7BM50WQYNPtJZRWmFvAHdCqPh1Cf3CFxSMWblyFINEwDfQhB7L7lN8jlQAO-DGSgRGoqmWnmG6eqcZUGQTFybHXA(mp4, (21.94 MB) Download video