Studies of higher-order chromatin arrangements are an essential part of ongoing attempts to explore changes in epigenome structure and their functional implications during development and cell differentiation. However, the extent and cell-type-specificity of three-dimensional (3D) chromosome arrangements has remained controversial. In order to overcome technical limitations of previous studies, we have developed tools that allow the quantitative 3D positional mapping of all chromosomes simultaneously. We present unequivocal evidence for a probabilistic 3D order of prometaphase chromosomes, as well as of chromosome territories (CTs) in nuclei of quiescent (G0) and cycling (early S-phase) human diploid fibroblasts (46, XY). Radial distance measurements showed a probabilistic, highly nonrandom correlation with chromosome size: small chromosomes—independently of their gene density—were distributed significantly closer to the center of the nucleus or prometaphase rosette, while large chromosomes were located closer to the nuclear or rosette rim. This arrangement was independently confirmed in both human fibroblast and amniotic fluid cell nuclei. Notably, these cell types exhibit flat-ellipsoidal cell nuclei, in contrast to the spherical nuclei of lymphocytes and several other human cell types, for which we and others previously demonstrated gene-density-correlated radial 3D CT arrangements. Modeling of 3D CT arrangements suggests that cell-type-specific differences in radial CT arrangements are not solely due to geometrical constraints that result from nuclear shape differences. We also found gene-density-correlated arrangements of higher-order chromatin shared by all human cell types studied so far. Chromatin domains, which are gene-poor, form a layer beneath the nuclear envelope, while gene-dense chromatin is enriched in the nuclear interior. We discuss the possible functional implications of this finding.

SUMMARY The effect of refractive‐index mismatch, as encountered in the observation of biological specimens, on the image acquisition process in confocal fluorescence microscopy is investigated theoretically. The analysis takes the vectorial properties of light into account and is valid for high numerical apertures. Quantitative predictions on the decrease of resolution, intensity drop and shift of focus are given for practical situations. When observing with a numerical aperture of 1·3 (oil immersion) and an excitation wavelength of 514 nm the centre of the focus shifts 1·7 μm per 10 μm of axial displacement in an aqueous medium, thus yielding an image that is scaled by a factor of 1·2 in the axial direction. Furthermore, it can be expected that for a fluorescent plane 20 μm deep inside an aqueous medium the peak intensity is 40% less than for a plane which is 10 μm deep. In addition, the axial resolution is decreased by a factor of 1·4. The theory was experimentally verified for test samples with different refractive indices.

High spatial frequencies in the illuminating light of microscopes lead to a shift of the object spatial frequencies detectable through the objective lens. If a suitable procedure is found for evaluation of the measured data, a microscopic image with a higher resolution than under flat illumination can be obtained. A simple method for generation of a laterally modulated illumination pattern is discussed here. A specially constructed diffraction grating was inserted in the illumination beam path at the conjugate object plane (position of the adjustable aperture) and projected through the objective into the object. Microscopic beads were imaged with this method and evaluated with an algorithm based on the structure of the Fourier space. The results indicate an improvement of resolution.

The resolution of optical microscopy is limited by the numerical aperture and the wavelength of light. Many strategies for improving resolution such as 4Pi and I5M have focused on an increase of the numerical aperture. Other approaches have based resolution improvement in fluorescence microscopy on the establishment of a nonlinear relationship between local excitation light intensity in the sample and in the emitted light. However, despite their innovative character, current techniques such as stimulated emission depletion (STED) and ground-state depletion (GSD) microscopy require complex optical configurations and instrumentation to narrow the point-spread function. We develop the theory of nonlinear patterned excitation microscopy for achieving a substantial improvement in resolution by deliberate saturation of the fluorophore excited state. The postacquisition manipulation of the acquired data is computationally more complex than in STED or GSD, but the experimental requirements are simple. Simulations comparing saturated patterned excitation microscopy with linear patterned excitation microscopy (also referred to in the literature as structured illumination or harmonic excitation light microscopy) and ordinary widefield microscopy are presented and discussed. The effects of photon noise are included in the simulations.

At the turn of this century, a few cytologists proposed the idea of a territorial organization of chromosomes in the cell nucleus of animal and plant species (Rabl 1885; Strasburger 1905; Boveri 1909) (Figs. 1A and 2A). While most of their scientific peers believed that chromosomes were temporary structures being

We demonstrate that the nuclear topological arrangement of chromosome territories (CTs) has been conserved during primate evolution over a period of about 30 million years. Recent evidence shows that the positioning of chromatin in human lymphocyte nuclei is correlated with gene density. For example, human chromosome 19 territories, which contain mainly gene-dense and early replicating chromatin, are located toward the nuclear center, whereas chromosome 18 territories, which consist mainly of gene-poor and later replicating chromatin, is located close to the nuclear border. In this study, we subjected seven different primate species to comparative analysis of the radial distribution pattern of human chromosome 18- and 19-homologous chromatin by three-dimensional fluorescence in situ hybridization. Our data demonstrate that gene-density-correlated radial chromatin arrangements were conserved during higher-primate genome evolution, irrespective of the major karyotypic rearrangements that occurred in different phylogenetic lineages. The evolutionarily conserved positioning of homologous chromosomes or chromosome segments in related species supports evidence for a functionally relevant higher-order chromatin arrangement that is correlated with gene-density.

Summary Chromatin compaction differences may have a strong impact on accessibility of individual macromolecules and macromolecular assemblies to their DNA target sites. Estimates based on fluorescence microscopy with conventional resolution, however, suggested only modest compaction differences (∼2-10x) between active and inactive nuclear compartments (ANC and INC). Here, we present maps of nuclear landscapes with true-to-scale DNA-densities, ranging from <5 Mbp/µm 3 to >300 Mbp/µm 3 . Maps were generated from individual human and mouse cell nuclei with single-molecule localization microscopy at ∼20 nm lateral and ∼100 nm axial resolution and supplemented by electron spectroscopic imaging. Microinjection of fluorescent nanobeads with sizes corresponding to macromolecular assemblies for transcription and replication into nuclei of living cells, demonstrated their localization and movements within the ANC and exclusion from the INC.

Abstract Here we present a novel fluorescence microscopy concept which enables a direct integration of Super-Resolution Microscopy (SRM) approaches (SIM/Nanosizing, STED, SMLM, MINFLUX, SIMFLUX) into microscopy systems with working distances (WD) up to the multicentimeter range while still allowing nanometer scale resolution at selected sites. This becomes possible by a “synthetic aperture” illumination mode with multiple, constructively interfering excitation beams positioned in a “Ring-Array” arrangement around a beam free interior zone containing instrumentation involved in complementary imaging modes. The feasibility of such a direct correlative microscopy method is validated by extensive numerical simulations; on the basis of these calculations, experimental implementation options are discussed. Such “Ring Array” illumination modes may be useful for various correlative microscopy methods, such as a direct combination of correlative light and electron microscopy in the same device (dCLEM); or a direct combination of low NA/large field-of-view widefield microscopy and super-resolution of selected sites in the same device (direct Correlative Opical Microscopy/dCOLM). Ring-Array supported correlative microscopy modes will open novel imaging perspectives in a variety of disciplines, from material sciences to biomedical applications.

Light microscopy has emerged as one of the fundamental methods to analyze biological systems; novel techniques of 3D microscopy and super-resolution microscopy (SRM) with an optical resolution down to the sub-nanometer range have recently been realized. However, most of these achievements have been made with fixed specimens, i.e., direct information about the dynamics of the biosystem studied was not possible. This stimulated the development of live cell microscopy imaging approaches, including Low Illumination Fluorescence Microscopy, Light Sheet (Fluorescence) Microscopy (LSFM), or Structured Illumination Microscopy (SIM). Here, we discuss perspectives, methods, and relevant light doses of advanced fluorescence microscopy imaging to keep the cells alive at low levels of phototoxicity.