Abstract The chromatin associated with the nuclear lamina (NL) is referred to as Lamina-Associated Domains (LADs). While mapping of this feature has been done using various technologies, technical limitations exist for each of the methods. Here, we present an adaptation of the Tyramide-Signal Amplification sequencing (TSA-seq) protocol, which we call chromatin pull down-based TSA-seq (cTSA-seq), that can be used to map chromatin regions at or near the NL from as little as 50,000 cells without using carriers. The cTSA-seq mapped regions are composed of LADs and smaller chromatin regions that fall within the chromatin B-compartment known to be enriched for heterochromatin and be present at the nuclear periphery. As a proof of principle, we used cTSA-seq to map chromatin at or near the assembling NL as cells exit mitosis and progress through early and later G1. Consistent with previous reports, lamin-B1 based cTSA-seq revealed that regions toward the distal ends of chromosomes are near or at the reassembling NL during early G1. The cTSA-seq mapping and analyses revealed similarity between the early G1 chromatin and oncogene-induced senescent cell populations. The cTSA-seq reported here represents a useful method for analyzing chromatin at or near the NL from small numbers of cells.

The nuclear lamina (NL) is a proteinaceous network found beneath the inner nuclear membrane. The NL is linked to a number of dynamic cellular activities including chromatin organization, transcription and RNA/protein trafficking through nuclear pores. Our understanding of the NL has been hindered in part by the general insolubility and low extractability of proteins from this region. This has spurred the development of proximity ligation methods that label proteins and/or DNA near the NL for systematic identification (Bar et al., 2018; Chen et al., 2018b; Guelen et al., 2008; Roux et al., 2012). To simplify labeling and improve temporal resolution, we fused APEX2 (Hung et al., 2014; Lam et al., 2015) to the nuclear lamina protein lamin-B1 to map proteins, RNA and DNA associated with the NL. We show that APEX2 labeling of the NL is robust and requires as little as 20 seconds. In addition to identifying the NL proteome, this method revealed NL-proximal RNA species that were largely spliced. These NL-proximal RNAs show a bias toward long 3' UTRs, suggesting an RNA-regulatory role of the NL. This is further supported by the finding of a bias toward longer 3' UTRs in genes deregulated in lamin-null cells. Interestingly, these RNAs share a sequence motif in their 3' UTRs. Finally, we demonstrate that the APEX2 method can reliably map lamina-associated domains (LADs) at different stages of the cell cycle, revealing a variability of short LADs regions enriched for histone lysine 27 trimethylation (H3K27me3). Thus the APEX2 method report here is a useful addition to the molecular toolbox for the study of the NL and permits the identification of proteome, transcriptome, and genome elements associated with this nuclear substructure.

Abstract α- and β-tubulin form heterodimers, with GTPase activity, that assemble into microtubules. Like other GTPases, the nucleotide-bound state of tubulin heterodimers controls whether the molecules are in a biologically active or inactive state. While α-tubulin in the heterodimer is constitutively bound to GTP, β-tubulin can be bound to either GDP (GDP-tubulin) or GTP (GTP-tubulin). GTP-tubulin hydrolyzes its GTP to GDP following assembly into a microtubule and, upon disassembly, must exchange its bound GDP for GTP to participate in subsequent microtubule polymerization. Tubulin dimers have been shown to exhibit rapid intrinsic nucleotide exchange in vitro, leading to a commonly accepted belief that a tubulin guanine nucleotide exchange factor (GEF) may be unnecessary in cells. Here, we use quantitative binding assays to show that BuGZ, a spindle assembly factor, binds tightly to GDP-tubulin, less tightly to GTP-tubulin, and weakly to microtubules. We further show that BuGZ promotes the incorporation of GTP into tubulin using a nucleotide exchange assay. The discovery of a tubulin GEF suggests a mechanism that may aid rapid microtubule assembly dynamics in cells.

Nuclear lamin isoforms assemble into fibrous meshworks within the nuclear lamina (NL) where they are associated with nuclear pore complexes (NPCs). Although the lamins and NPCs are major components of the nuclear envelope (NE), little is known about their structural relationships. We used 3D structured illumination microscopy (3D-SIM) and sub-pixel image analysis to show that NPCs are closely associated with lamin fibers in mouse embryonic fibroblasts (MEFs). When lamin A/C (LA/C) or lamin B1 (LB1) are removed by gene knockout, the NPCs retained their association and redistributed with the resulting enlarged lamin meshworks. Cryo-ET revealed that more LA/C than LB1 fibers contacted the nucleoplasmic ring of NPCs. Knockdown of the outer ring nucleoporin ELYS induced NPC clusters that excluded LA/C fibers. Knockdown of the basket nucleoporin TPR reduced the size of LA/C, LB1, and LB2 meshworks while retaining their close association with NPCs. NUP153 knockdown reduced LA/C and B2 meshwork size in wild type (WT) MEFs and caused NPC clustering in nuclei lacking LB1. Therefore, lamins and nucleoporins act together to maintain the organization and distribution of lamin meshworks and NPCs.

Abstract The computational inference of genome organization based on Hi-C sequencing has greatly aided the understanding of chromatin and nuclear organization in three dimensions (3D). However, existing computational methods used to infer sub-compartments from Hi-C data fail to address the cell population heterogeneity. Here we describe a model-based method, called CscoreTool-M, which uses probabilistic modeling to build multiple 3D genome sub-compartments from Hi-C data. The compartment scores inferred using CscoreTool-M directly represents the probability of a genomic region locating in a specific sub-compartment. Compared to published methods, CscoreTool-M is more accurate in inferring local sub-compartment containing heterochromatin marked by Histone lysine trimethylation (H3K27me3) surrounded by the actively transcribed euchromatic regions. The compartment scores calculated by CscoreTool-M also help to quantify the levels of heterogeneity in sub-compartment localization within cell populations for different genomic regions. By comparing proliferating cells and terminally differentiated non-proliferating cells, we show that the proliferating cells have higher genome organization heterogeneity, which is likely caused by cells at different cell-cycle stages. By analyzing 10 sub-compartments, we found a sub-compartment containing chromatin potentially related to the early-G1 chromatin regions proximal to the nuclear lamina in HCT116 cells, suggesting the method can deconvolve cell cycle stage-specific genome organization among asynchronously dividing cells. Finally, we show that CscoreTool-M can further identify sub-compartments that contain genes enriched in housekeeping or cell-type-specific functions.

Abstract The ability of a cell to regulate its mechanical properties is central to its function. Emerging evidence suggests that interactions between the cell nucleus and cytoskeleton influence cell mechanics through poorly understood mechanisms. Here we show that A- and B-type nuclear lamin isoforms distinctively modulate both nuclear and cellular volume and selectively stabilize the linker of nucleoskeleton and cytoskeleton (LINC) complexes that couple the nucleus to cytoskeletal actin and vimentin. We reveal, further, that loss of each of the four-known lamin isoforms in the mouse embryonic fibroblasts differentially affects cortical and cytoplasmic stiffness as well as cellular contractility, and then propose a LINC complex mediated model that explains these impaired mechanical phenotypes. Finally, we demonstrate that loss of each lamin isoform softens the nucleus in a manner that correlates with loss of heterochromatin. Together, these findings uncover distinctive roles for each lamin isoform in maintaining cellular and nuclear mechanics.