SUMMARY Eukaryotic chromosomes compact during mitosis and meiosis into elongated cylinders – and not the spherical globules expected of self-attracting long flexible polymers. This process is mainly driven by condensin-like proteins. Here, we present Brownian-dynamics simulations involving two types of such proteins. The first anchors topologically-stable and long-lived chromatin loops to create bottlebrush structures. The second forms multivalent bridges between distant parts of these loops without entrapping them. We show bridging factors lead to the formation of shorter and stiffer mitotic-like cylinders, without requiring any energy input. These cylinders have several features matching experimental observations. For instance, the axial condensin backbone breaks up into clusters as found by microscopy, and cylinder elasticity qualitatively matches that seen in chromosome pulling experiments. Additionally, simulating global condensin depletion or local faulty condensin loading gives phenotypes in agreement with experiments, and provides a mechanistic model to understand mitotic chromatin structure at common fragile sites.

Within each human cell, different kinds of RNA polymerases and a panoply of transcription factors bind chromatin to simultaneously determine 3D chromosome structure and transcriptional programme. Experiments show that, in some cases, different proteins segregate to form specialised transcription factories; in others they mix together, binding promiscuously the same chromatin stretch. Here, we use Brownian dynamics simulations to study a polymer model for chromosomes accounting for multiple types (“colours”) of chromatin-binding proteins. Our multi-colour model shows the spontaneous emergence of both segregated and mixed clusters of chromatin-bound proteins, depending mainly on their size, thereby reconciling the previous experimental observations. Additionally, remarkable small-world networks emerge; in these, positive and negative correlations in activities of transcription units provide simple explanations of why adjacent units in large domains are co-transcribed so often, and how one eQTL (expression quantitative trait locus) can up-regulate some genes and down-regulate others. We also explain how local genome edits induce distant omnigenic and pangenomic effects, and develop ways to predict activities of all transcription units on human chromosomes. All results point to 1D location being a key determinant of transcription, consistently with the conservation of synteny seen between rapidly-evolving enhancers and their more stable target genes.

The discovery that overexpressing one or a few critical transcription factors can switch cell state suggests that gene regulatory networks are relatively simple. In contrast, genome-wide association studies (GWAS) point to complex phenotypes being determined by hundreds of loci that rarely encode transcription factors and which individually have small effects. Here, we use computer simulations and a simple fitting-free polymer model of chromosomes to show that spatial correlations arising from 3D genome organisation naturally lead to stochastic and bursty transcription plus complex small-world regulatory networks (where the transcriptional activity of each genomic region subtly affects almost all others). These effects require factors to be present at sub-saturating levels; increasing levels dramatically simplifies networks as more transcription units are pressed into use. Consequently, results from GWAS can be reconciled with those involving overexpression. We apply this pan-genomic model to predict patterns of transcriptional activity in whole human chromosomes, and, as an example, the effects of the deletion causing the diGeorge syndrome.

Abstract Microfluidic devices are widely used in many fields of biology, but a key limitation is that cells are typically surrounded by solid walls, making it hard to access those that exhibit a specific phenotype for further study. Here, we provide a general and flexible solution to this problem that exploits the remarkable properties of microfluidic circuits with fluid walls – transparent interfaces between culture media and an immiscible fluorocarbon that are easily pierced with pipets. We provide two proofs-of-concept in which specific cell sub-populations are isolated and recovered: i) murine macrophages chemotaxing towards complement component 5a, and ii) bacteria ( Pseudomonas aeruginosa ) in developing biofilms that migrate towards antibiotics. We build circuits in minutes on standard Petri dishes, add cells, pump in laminar streams so molecular diffusion creates attractant gradients, acquire time-lapse images, and isolate desired sub-populations in real-time by building fluid walls around migrating cells with an accuracy of tens of micrometres using 3D-printed adaptors that convert conventional microscopes into wall-building machines. Our method allows live cells of interest to be easily extracted from microfluidic devices for downstream analyses.

Abstract We propose a model for the formation of chromatin loops based on the diffusive sliding of a DNA-bound factor which can dimerise to form a molecular slip-link. Our slip-links mimic the behaviour of cohesin-like molecules, which, along with the CTCF protein, stabilize loops which organize the genome. By combining 3D Brownian dynamics simulations and 1D exactly solvable non-equilibrium models, we show that diffusive sliding is sufficient to account for the strong bias in favour of convergent CTCF-mediated chromosome loops observed experimentally. Importantly, our model does not require any underlying, and energetically costly, motor activity of cohesin. We also find that the diffusive motion of multiple slip-links along chromatin may be rectified by an intriguing ratchet effect that arises if slip-links bind to the chromatin at a preferred "loading site". This emergent collective behaviour is driven by a 1D osmotic pressure which is set up near the loading point, and favours the extrusion of loops which are much larger than the ones formed by single slip-links.