Ultrastructural visualization of 3D chromatin folding using volume electron microscopy and DNA in situ hybridization

Paweł Trzaskoma , B. Ruszczycki , Byoungkoo Lee , Katarzyna K. Pels , Katarzyna Krawczyk , Grzegorz Bokota , Adam Szczepankiewicz , Jesse Aaron , A Walczak , Małgorzata Śliwińska , Adriana Magalska , Michał Kadlof , Artur Wolny , Zofia Parteka , Sebastian Arabasz , Magdalena Kiss-Arabasz , Dariusz Plewczyński , Yijun Ruan , Grzegorz M. Wilczyński

Abstract

The human genome is extensively folded into 3-dimensional organization. However, the detailed 3D chromatin folding structures have not been fully visualized due to the lack of robust and ultra-resolution imaging capability. Here, we report the development of an electron microscopy method that combines serial block-face scanning electron microscopy with in situ hybridization (3D-EMISH) to visualize 3D chromatin folding at targeted genomic regions with ultra-resolution (5 × 5 × 30 nm in xyz dimensions) that is superior to the current super-resolution by fluorescence light microscopy. We apply 3D-EMISH to human lymphoblastoid cells at a 1.7 Mb segment of the genome and visualize a large number of distinctive 3D chromatin folding structures in ultra-resolution. We further quantitatively characterize the reconstituted chromatin folding structures by identifying sub-domains, and uncover a high level heterogeneity of chromatin folding ultrastructures in individual nuclei, suggestive of extensive dynamic fluidity in 3D chromatin states.

Author Paweł Trzaskoma - [Nencki Institute of Experimental Biology of the Polish Academy of Sciences]
Paweł Trzaskoma,,
-
-
, B. Ruszczycki - [Nencki Institute of Experimental Biology of the Polish Academy of Sciences]
B. Ruszczycki,,
-
-
, Byoungkoo Lee - [Jackson Laboratory]
Byoungkoo Lee,,
-
-
, Katarzyna K. Pels - [Nencki Institute of Experimental Biology of the Polish Academy of Sciences]
Katarzyna K. Pels,,
-
-
, Katarzyna Krawczyk (FA)
Katarzyna Krawczyk,,
- Faculty of Architecture
, Grzegorz Bokota - [University of Warsaw, Centre of New Technologies]
Grzegorz Bokota,,
-
-
, Adam Szczepankiewicz (FEIT / ICS) - European Organization for Nuclear Research Geneva Switzerland (CERN )
Adam Szczepankiewicz,,
- The Institute of Computer Science
, Jesse Aaron - [Howard Hughes Medical Institute Janelia Farm Research Campus]
Jesse Aaron,,
-
-
, A Walczak - [Nencki Institute of Experimental Biology of the Polish Academy of Sciences]
A Walczak,,
-
-
, Małgorzata Śliwińska - [Nencki Institute of Experimental Biology of the Polish Academy of Sciences]
Małgorzata Śliwińska,,
-
-
et al.`
Journal seriesNature Communications, ISSN 2041-1723
Issue year2020
Vol11
Pages1-9
Publication size in sheets0.5
Keywords in Polishchromatyna, genom ludzki, genomika, bioinformatyka, mikroskopia
Keywords in Englishchromatin, human genome, genomics, bioinformatics, microscopy
ASJC Classification1300 General Biochemistry, Genetics and Molecular Biology; 1600 General Chemistry; 3100 General Physics and Astronomy
Abstract in PolishLudzkie DNA cechuje się bardzo mocnym zwinięciem nici i trójwymiarową organizacją przestrzenną. Dokładne zwijanie się chromatyny nie zostało jeszcze w całości zaobserwowane przez ograniczenia techniczne mikroskopii. W publikacji zaraportowana została nowa metoda mikroskopii elektronowej łączącej skaningową mikroskopię elektronową z hybrydyzacją (3D-EMISH). Metoda ta pozwala na trójwymiarową wizualizację struktury ludzkiej chromatyny i obrazowanie wybranych miejsc genomu z bardzo wysoką rozdzielczością (5 × 5 × 30 nm w xyz), lepszą niż dotychczasowa rozdzielczość mikroskopii świetlnej. 3D-EMISH został wykorzystany do zobrazowania fragmentu (1.7 Mb) chromatyny ludzkich limfoblastów. Pozwoliło to na bezpośrednie zaobserwowanie dużej liczby charakterystycznych struktur chromatynowych w super-rozdzielczości. Otrzymane zdjęcia zostały następnie poddane analizom w celu dalszego badania sposobu zwijania się ludzkiego DNA, zidentyfikowania domen oraz struktur sub-domenowych chromatyny. Zaobserwowana została duża różnorodność strukturalna pomiędzy badanymi komórkami, co sugeruję dużą dynamikę trójwymiarowej struktury chromatyny.
DOIDOI:10.1038/s41467-020-15987-2
URL https://www.nature.com/articles/s41467-020-15987-2.pdf
Languageen angielski
Score (nominal)200
Score sourcejournalList
ScoreMinisterial score = 200.0, 16-09-2020, ArticleFromJournal
Publication indicators Scopus Citations = 0; WoS Citations = 0; Scopus SNIP (Source Normalised Impact per Paper): 2017 = 2.912; WoS Impact Factor: 2018 = 11.878 (2) - 2018=13.811 (5)
Citation count*
Cite
Share Share

Get link to the record


* presented citation count is obtained through Internet information analysis and it is close to the number calculated by the Publish or Perish system.
Back
Confirmation
Are you sure?