Abstract Cell state transitions or cell fate decision making processes, such as cell development and cell pathological transformation, are believed to be determined by the regulatory network of genes, which intimately depend on the structures of chromosomes in the cell nucleus. The high temporal resolution picture of how chromosome reorganizes its 3D structure during the cell state transitions is the key to understanding the mechanisms of these fundamental cellular processes. However, this picture is still challenging to acquire at present. Here, we studied the chromosome structural dynamics during the cell state transitions among the pluripotent embryonic stem cell (ESC), the terminally differentiated normal cell and the cancer cell using landscape-switching model implemented in the molecular dynamics simulation. We considered up to 6 transitions, including differentiation, reprogramming, cancer formation and reversion. We found that the pathways can merge at certain stages during the transitions for the two processes having the same destination as the ESC or the normal cell. Before reaching the merging point, the two pathways are cell-type-specific. The chromosomes at the merging points show high structural similarity to the ones at the final cell states in terms of the contact maps, TADs and compartments. The post-merging processes correspond to the adaption of the chromosome global shape geometry through the chromosome compaction without significantly disrupting the contact formation. On the other hand, our detailed analysis showed no merging point for the two cancer formation processes initialized from the ESC and the normal cell, implying that cancer progression is a complex process and may be associated with multiple pathways. Our results draw a complete molecular picture of cell development and cancer at the dynamical chromosome structural level, and help our understanding of the molecular mechanisms of cell fate decision making processes.

Cell cycle is a process and function of a cell with different phases essential for cell growth, proliferation, and replication. Cell cycle depends on the structure and dynamics of the underlying DNA molecule, which underpins the genome function. A microscopic structural-level understanding of how genome or its functional module chromosome performs the cell cycle in terms of large-scale conformational transformation between different phases such as the interphase and the mitotic phase is still challenging. Here, we develop a non-equilibrium excitation-relaxation energy landscape-switching model to quantify the underlying chromosome conformational transitions through (de-)condensation for a complete microscopic understanding of the cell cycle. We show that the chromosome conformational transition mechanism from the interphase to the mitotic phase follows a two-stage scenario, in good agreement with the experiments. In contrast, the mitotic exit pathways show the existence of an over-expanded chromosome that recapitulates the chromosome in the experimentally identified intermediate state at the telophase. We find the conformational pathways are heterogeneous and irreversible, as a result of the non-equilibrium dynamics of the cell cycle from both structural and kinetic perspectives. We suggest that the irreversibility is mainly due to the distinct participation of the ATP-dependent structural maintenance of chromosomal protein complexes during the cell cycle. Our findings provide crucial insights into the microscopic molecular structural and dynamical physical mechanism for the cell cycle beyond the previous more macroscopic descriptions. Our non-equilibrium landscape framework is general and applicable to study diverse non-equilibrium physical and biological processes such as active matter, differentiation/development and cancer.

Abstract As an essential and fundamental process of life, cell development involves large-scale reorganization of the three-dimensional genome architecture, which forms the basis of gene regulation. Here, we develop a landscape-switching model to explore the microscopic chromosomal structural origin of the embryonic stem cell (ESC) differentiation and the somatic cell reprogramming. We show that chromosome structure exhibits significant compartment-switching in the unit of topologically associating domain. We find that the chromosome during differentiation undergoes monotonic compaction with spatial re-positioning of active and inactive chromosomal loci towards the chromosome surface and interior, respectively. In contrast, an over-expanded chromosome, which exhibits universal localization of loci at the chromosomal surface with erasing the structural characteristics formed in the somatic cells, is observed during reprogramming. We suggest an early distinct differentiation pathway from the ESC to the terminally differentiated cell, giving rise to early bifurcation on the Waddington landscape for the ESC differentiation. Our theoretical model including the non-equilibrium effects, draws a picture of the highly irreversible cell differentiation and reprogramming processes, in line with the experiments. The predictions from our model provide a physical understanding of cell differentiation and reprogramming from the chromosomal structural and dynamical perspective and can be tested by future experiments.

Abstract Cancer reflects the dysregulation of the underlying gene network, which is intimately related to the 3D genome organization. Numerous efforts have been spent on experimental characterizations of the structural alterations in cancer genomes. However, there is still a lack of genomic structural-level understanding of the temporal dynamics for cancer initiation and progression. Here, we use a landscape-switching model to investigate the chromosomal structural transition during the can-cerization and reversion processes. We find that the chromosome undergoes a non-monotonic structural shape-changing pathway with initial expansion followed by compaction during both of these processes. Furthermore, our analysis reveals that the chromosome with a more expanded structure than those at both the normal and cancer cell during cancerization exhibits a sparse contact pattern, which shows significant structural similarity to the one at the embryonic stem cell in many aspects, including the trend of contact probability declining with the genomic distance, the global structural shape geometry and the spatial distribution of loci on chromosome. We show that cell cancerization and reversion are highly irreversible processes in terms of the chromosomal structural transition pathways, spatial repositioning of chromosomal loci and hysteresis loop of contact evolution analysis. Our model draws a molecular-scale picture of cell cancerization, which contains initial reprogramming towards the stem cell followed by differentiation towards the cancer cell, accompanied by an initial increase and subsequent decrease of cell stemness.

The TAZ1 domain of CREB binding protein is crucial for transcriptional regulation and recognizes multiple targets. The interactions between TAZ1 and its specific targets are related to the cellular hypoxic negative feedback regulation. Previous experiments reported that one of the TAZ1 targets CITED2 is an efficient competitor of another target HIF-1α. Here by developing the structure-based models of TAZ1 complexes we have uncovered the underlying mechanisms of the competitions between HIF-1α and CITED2 binding to TAZ1. Our results are consistent with the experimental hypothesis on the competition mechanisms and the apparent affinity. In addition, the simulations prove the dominant position of forming TAZ1-CITED2 complex in both thermodynamics and kinetics. For thermodynamics, TAZ1-CITED2 is the lowest basin located on the free energy surface of binding in the ternary system. For kinetics, the results suggest that CITED2 binds to TAZ1 faster than HIF-1α. Besides, the analysis of contact map and f values in this study will be helpful for further experiments on TAZ1 systems.

Abstract The accumulation of polyethylene terephthalate (PET), a widely used polyester plastic in packaging and textiles, poses a global environmental crisis. Biodegradation presents a promising strategy for PET recycling, with PET hydrolases (PETase) undertaking the task at the molecular level. Unfortunately, due to its low thermostability, PETase can only operate at ambient temperatures with low PET depolymerization efficiency, hindering its practical application in industry. Currently, efforts to engineer PETase have primarily focused on enhancing its thermostability. However, increased stability often reduces the structural dynamics necessary for substrate binding, potentially slowing down the enzymatic activity. To elucidate the delicate balance between stability and flexibility in optimizing PETase catalytic activity, we performed theoretical investigations on both wild-type PETase (WT-PETase) and a thermophilic variant (Thermo-PETase) using molecular dynamics simulations and frustration analysis. Despite being initially designed to stabilize the native structure of enzyme, our findings reveal that Thermo-PETase exhibits an unprecedented increase in structural flexibility at the PET binding and catalytic sites, beneficial for substrate recruitment and product release, compared to WT-PETase. Upon PET binding, we observed that structural dynamics of Thermo-PETase are largely quenched, facilitating subsequent chemical reactions. Compared to WT-PETase, Thermo-PETase forms more extensive interactions with PET, resulting in a higher population of catalytically competent enzyme-substrate states, thus contributing to increased catalytic activity. Our theoretical results are consistent with experimental findings and further suggest that Thermo-PETase exhibits higher catalytic activity than WTPETase across a broad temperature range by leveraging stability and flexibility at high and low temperatures, respectively. Our findings offer valuable insights into how PETase optimizes its enzymatic performance by balancing stability and flexibility, paving the way for future PETase design strategies.

Abstract Cell cycle, essential for various cellular processes, is known to be precisely regulated by the underlying gene network. Accumulating evidence has revealed that the chromosome, which serves as the scaffold for the gene expressions, undergoes significant structural reorganizations during mitosis. Understanding the mechanism of the cell cycle from the molecular chromosome structural perspective remains a grand challenge. In this study, we applied an integrated approach using a data-driven model combined with a nonequilibrium landscape-switching model to investigate large-scale chromosome structural dynamics during the mitosis-to-G1 phase transition. We generated 3D chromosome structural ensembles for the five critical stages in the process. We observed that the chromosome structural expansion and adaptation of the structural asphericity do not occur synchronously. We attributed this asynchronous adaptation behavior in the chromosome structural geometry to the unique unloading sequence of the two types of condensins. Furthermore, we observed that the coherent motions between the chromosomal loci are primarily enhanced within the topologically associating domains (TADs) as cells progress to the G1 phase, suggesting that TADs can be considered as both structural and dynamical units for organizing the 3D chromosome. Our analysis also reveals that the quantified pathways of chromosome structural reorganizations during the mitosis-to-G1 phase transition exhibit high stochasticity at the single-cell level and show non-linear behaviors in changing TADs and contacts formed at the long-range regions. These features underscore the complex nature of the cell-cycle processes. Our findings, which are consistent with the experiments in many aspects, offer valuable insights into the large-scale chromosome structural dynamics after mitosis and contribute to the molecular-level understanding of the cell-cycle process.

Liquid-liquid phase separation is a ubiquitous molecular phenomenon that plays crucial roles in a multitude of essential cellular activities. Intrinsically disordered proteins (IDPs), which lack well-defined three-dimensional structures, are prevalent participants in phase separation due to their inherent potential for promoting multivalent binding--the major driving force for this process. Understanding the underlying mechanisms of phase separation is challenging, as phase separation is a complex process, involving numerous molecules and various types of interactions. Here, we used a simplified coarse-grained model of IDPs to investigate the thermodynamic stability of the dense phase, conformational properties of IDPs, chain dynamics and kinetic rates of forming condensates. We focused on the IDP system, in which the oppositely charged IDPs are maximally segregated, inherently possessing a high propensity for phase separation. By varying interaction strengths, salt concentrations and temperatures, we observed that IDPs in the dense phase exhibited highly conserved conformational characteristics, which are more extended than those in the dilute phase. This implies that condensate formation acts as a protective shield, enabling IDPs to maintain conformational ensemble with high resistance to the changes in interactions and environmental conditions. Although the chain motions and global conformational dynamics of IDPs in the condensates are slow due to the high viscosity, local chain flexibility at the short timescales is largely preserved with respect to that at the free state. Strikingly, we observed a non-monotonic relationship between interaction strengths and kinetic rates for forming condensates. As strong interactions of IDPs result in high stable condensates, our results suggest that the thermodynamics and kinetics of phase separation are decoupled and optimized by the speed-stability balance through underlying molecular interactions. Our findings contribute to the molecular-level understanding of phase separation and offer valuable insights into the developments of engineering strategies for precise regulation of biomolecular condensates.