We show evidence of the association of RNA Polymerase II (RNAP) with chromatin in a core-shell organization, reminiscent of microphase separation where the cores comprise dense chromatin and the shell, RNAP and chromatin with low density. These observations motivate our physical model for the regulation of core-shell chromatin organization. Here, we model chromatin as a multiblock copolymer, comprising active and inactive regions (blocks) that are both in poor solvent and tend to be condensed in the absence of binding proteins. However, we show that the solvent quality for the active regions of chromatin can be regulated by the binding of protein complexes (e.g. RNAP). Using the theory of polymer brushes, we find that such binding leads to swelling of the active chromatin regions which in turn, modifies the spatial organization of the inactive regions. In addition, we use simulations to study spherical chromatin micelles, whose cores comprise inactive regions and shells comprise active regions and bound protein complexes. In spherical micelles the swelling increases the number of inactive cores and controls their size. Thus, genetic modifications affecting the binding strength of chromatin-binding protein complexes may modulate the solvent quality experienced by chromatin and regulate the physical organization of the genome.

Nucleoli are surrounded by Pericentromeric Heterochromatin (PCH), reflecting a close spatial association between the two largest biomolecular condensates in eukaryotic nuclei. This nuclear organizational feature is highly conserved and is disrupted in diseased states like senescence, however, the mechanisms driving PCH-nucleolar association are unclear. High-resolution live imaging during early Drosophila development revealed a highly dynamic process in which PCH and nucleolar formation is coordinated and interdependent. When nucleolus assembly was eliminated by deleting the ribosomal RNA genes (rDNA), PCH showed increased compaction and subsequent reorganization to a shell-like structure. In addition, in embryos lacking rDNA, some nucleolar proteins were redistributed into new bodies or 9neocondensates9, including enrichment in the core of the PCH shell. These observations, combined with physical modeling and simulations, suggested that nucleolar-PCH associations are mediated by a hierarchy of affinities between PCH, nucleoli, and 9amphiphilic9 protein(s) that interact with both nucleolar and PCH components. This result was validated by demonstrating that the depletion of one candidate amphiphile, the nucleolar protein Pitchoune, significantly reduced PCH-nucleolar associations. Together, these results unveil a dynamic program for establishing nucleolar-PCH associations during animal development, demonstrate that nucleoli are required for normal PCH organization, and identify Pitchoune as an amphiphilic molecular link that promotes PCH-nucleolar associations. Finally, we propose that disrupting affinity hierarchies between interacting condensates can liberate molecules to form neocondensates or other aberrant structures that could contribute to cellular disease phenotypes.