Epigenetic mechanisms, primarily mediated through histone and DNA modifications, play a pivotal role in orchestrating the functional identity of a cell and its response to environmental cues. Similarly, the spatial arrangement of chromatin within the three-dimensional (3D) nucleus has been recognized as a significant factor influencing genomic function. Investigating the relationship between epigenetic regulation and 3D chromatin structure has revealed correlation and causality between these processes, from the global alignment of average chromatin structure with chromatin marks to the nuanced correlations at smaller scales. This review aims to dissect the biological significance and the interplay between the epigenome and 3D chromatin structure, while also exploring the underlying molecular mechanisms. By synthesizing insights from both experimental and modeling perspectives, we seek to provide a comprehensive understanding of cellular functions.
Chromosomes located in the nucleus form discrete units of genetic material composed of DNA and protein complexes. The genetic information is encoded in linear DNA sequences, but its interpretation requires an understanding of three-dimensional (3D) structure of the chromosome, in which distant DNA sequences can be juxtaposed by highly condensed chromatin packing in the space of nucleus to precisely control gene expression. Recent technological innovations in exploring higher-order chromatin structure have uncovered organizational principles of the 3D genome and its various biological implications. Very recently, it has been reported that large-scale genomic variations may disrupt higher-order chromatin organization and as a consequence, greatly contribute to disease-specific gene regulation for a range of human diseases. Here, we review recent developments in studying the effect of structural variation in gene regulation, and the detection and the interpretation of structural variations in the context of 3D chromatin structure.
Objective: To evaluate sperm nuclear DNA fragmentation and chromatin structure after 18 hours' incubation at room temperature. Methods: Twenty-eight male partners who participating IVF treatment were prospectively included in this study. Ejaculated sperm count and motility were assessed. The sperm was then immediately processed by the conventional swim-up method. After utilization of some of the sample for routine clinical use, the remainder of each of the samples was divided into two aliquots. One aliquot was immediately assessed for sperm nuclear DNA fragmentation (TUNEL assay) and chromatin structure (toluidine blue [TB] staining). The other aliquot was incubated at room temperature for 18 hours and then assessed by two methods. Only dark-TB sperms were considered as having abnormal chromatin structure. Data before and after extended incubation were compared using a paired Student's $t$-test. Results: Before and after extended culture, nuclear DNA fragmentation assessed by TUNEL was $4.9{\pm}4.7%$ and $7.0{\pm}6.4%$, respectively ($p$=0.008). The proportion of abnormal chromatin structure (dark-TB sperm) was $8.2{\pm}5.6%$ and $10.3{\pm}6.5%$ ($p$ <0.001), before and after incubation, respectively. Conclusion: After 18 hours' incubation at room temperature, sperm nuclear DNA and chromatin structure were significantly affected. The IVF practitioner should bear this information in mind when performing delayed insemination, especially for $in$$vitro$ maturation cycles.
Kim, Hee-Sun;Kang, Moon Joo;Kim, Sung Ah;Oh, Sun Kyung;Kim, Hoon;Ku, Seung-Yup;Kim, Seok Hyun;Moon, Shin Yong;Choi, Young Min
Clinical and Experimental Reproductive Medicine
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v.40
no.1
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pp.23-28
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2013
Objective: The aim of the present study was to examine the relationship among male age, strict morphology, and sperm chromatin structure and condensation. Methods: Sperm samples from a total of 100 men underwent semen analysis, and sperm chromatin structure and condensation were assessed with toluidine blue (TB) and aniline blue (AB) tests. Results: Prevalence of strict morphology of less than 4%, and abnormal sperm chromatin structure and condensation did not show any statistically significant differences according to male age (p=0.605, p=0.235, and p=0.080). No significant correlation was demonstrated among age of male partners, strict morphology, and abnormal sperm chromatin structure using TB and AB tests. However, abnormal sperm chromatin condensation was positively associated with sperm chromatin structure (r=0.594, p=0.000) and showed negative correlation with strict morphology (r=-0.219, p=0.029). Conclusion: The tests for sperm chromatin condensation showed a significant association with strict morphology. Further study is needed to elucidate the relationship between clinical outcome and sperm chromatin tests.
Chromatin is an intelligent building block that can express either external or internal needs through structural changes. To date, three methods to change chromatin structure and regulate gene expression have been well-documented: histone modification, histone exchange, and ATP-dependent chromatin remodeling. Recently, a growing body of literature has suggested that histone tail cleavage is related to various cellular processes including stem cell differentiation, osteoclast differentiation, granulocyte differentiation, mammary gland differentiation, viral infection, aging, and yeast sporulation. Although the underlying mechanisms suggesting how histone cleavage affects gene expression in view of chromatin structure are only beginning to be understood, it is clear that this process is a novel transcriptional epigenetic mechanism involving chromatin dynamics. In this review, we describe the functional properties of the known histone tail cleavage with its proteolytic enzymes, discuss how histone cleavage impacts gene expression, and present future directions for this area of study.
In eukaryotes, the genome is hierarchically packed inside the nucleus, which facilitates physical contact between cis-regulatory elements (CREs), such as enhancers and promoters. Accumulating evidence highlights the critical role of higher-order chromatin structure in precise regulation of spatiotemporal gene expression under diverse biological contexts including lineage commitment and cell activation by external stimulus. Genomics and imaging-based technologies, such as Hi-C and DNA fluorescence in situ hybridization (FISH), have revealed the key principles of genome folding, while newly developed tools focus on improvement in resolution, throughput and modality at single-cell and population levels, and challenge the knowledge obtained through conventional approaches. In this review, we discuss recent advances in our understanding of principles of higher-order chromosome conformation and technologies to investigate 4D chromatin interactions.
We have examined the chromatin structure of the HMRE/HSP82 and HMRa/HSP82 allels using three complementary approaches : DNase I chromating footprinting, micrococcal nuclease (MNase) nucleosome-protected ladder assay, and an in vivo E. coli dam methylase accessibility assay. The footprinting results indicate that the promoter and silencer sequences are assembled into nucleoprotein complexes which exhibit no detectable change in structure, despite a 70-fold range in expression levels. In addition, the promoter region of the HMRa/HSP82 allele is cleaved randomly by MNase in all cases, indicating the absence of anonical nucleosomes over this region irrespective of SIR4 or heat-shock. Finally, no discernible difference in the accessibility of the HMRE/HSP82 locus to dam methylase in SIR4 vs. sir4 cells was seenm which again suggests that the chromatin structure of HMRE/HSP82 allele is identical regardless of SIR4. Altogether, our results indicate that in contrast to other observations of the silent mating-type loci, no discernible structural alteration is detected at either HMR/HSP82 allele regardless of SIR genetic background or transcriptional state of the gene.
Lee, Kiwon;Shim, Jae Hwan;Kang, Mi Jin;Kim, Ji Hye;Ahn, Jong-Seong;Yoo, Soon Ji;Kim Kwon, Yunhee;Kwon, Hyockman
Molecules and Cells
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v.24
no.2
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pp.288-293
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2007
The conversion of mitotic chromosome into interphase chromatin consists of at least two separate processes, the decondensation of the mitotic chromosome and the formation of the higher-order structure of interphase chromatin. Previously, we showed that depletion of BAF53 led to the expansion of chromosome territories and decompaction of the chromatin, suggesting that BAF53 plays an essential role in the formation of higher-order chromatin structure. We report here that BAF53 is associated with mitotic chromosomes during mitosis. Immunostaining with two different anti-BAF53 antibodies gave strong signals around the DNA of mitotic preparations of NIH3T3 cells and mouse embryo fibroblasts (MEFs). The immunofluorescent signals were located on the surface of mitotic chromosomes prepared by metaphase spread. BAF53 was also found in the mitotic chromosome fraction of sucrose gradients. Association of BAF53 with mitotic chromosomes would allow its rapid activation on the chromatin upon exit from mitosis.
It is becoming increasingly clear that eukaryotic genomes are subjected to higher-order chromatin organization by the CCCTC-binding factor/cohesin complex. Their dynamic interactions in three dimensions within the nucleus regulate gene transcription by changing the chromatin architecture. Such spatial genomic organization is functionally important for the spatial disposition of chromosomes to control cell fate during development and differentiation. Thus, the dysregulation of proper long-range chromatin interactions may influence the development of tumorigenesis and cancer progression.
Chromatin has highly organized structures in the nucleus, and these higher-order structures are proposed to regulate gene activities and cellular processes. Sequencing-based techniques, such as Hi-C, and fluorescent in situ hybridization (FISH) have revealed a spatial segregation of active and inactive compartments of chromatin, as well as the non-random positioning of chromosomes in the nucleus, respectively. However, regardless of their efficiency in capturing target genomic sites, these techniques are limited to fixed cells. Since chromatin has dynamic structures, live cell imaging techniques are highlighted for their ability to detect conformational changes in chromatin at a specific time point, or to track various arrangements of chromatin through long-term imaging. Given that the imaging approaches to study live cells are dramatically advanced, we recapitulate methods that are widely used to visualize the dynamics of higher-order chromatin structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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