High-resolution techniques capable of manipulating from single molecules to millions of cells are combined with three-dimensional modeling followed by simulation to comprehend the specific aspects of chromosomes. From the theoretical perspective, the energy landscape theory from protein folding inspired the development of the minimal chromatin model (MiChroM). In this work, two biologically relevant MiChroM energy terms were minimized under different conditions, revealing a competition between loci compartmentalization and motor-driven activity mechanisms in chromatin folding. Enhancing the motor activity energy baseline increased the lengthwise compaction and reduced the polymer entanglement. Concomitantly, decreasing compartmentalization-related interactions reduced the overall polymer collapse, although compartmentalization given by the microphase separation remained almost intact. For multiple chromosome simulations, increased motorization intensified the territory formation of the different chains and reduced compartmentalization strength lowered the probability of contact formation of different loci between multiple chains, approximating to the experimental inter-contacts of the human chromosomes. These findings have direct implications for experimental data-driven chromosome modeling, specially those involving multiple chromosomes. The interplay between phase-separation and territory formation mechanisms should be properly implemented in order to recover the genome architecture and dynamics, features that might play critical roles in regulating nuclear functions.

1.
W. A.
Bickmore
,
Annu. Rev. Genomics Hum. Genet.
14
,
67
(
2013
).
2.
K.
Maeshima
,
S.
Ide
,
K.
Hibino
, and
M.
Sasai
,
Curr. Opin. Genet. Dev.
37
,
36
(
2016
).
3.
V. G.
Contessoto
,
O.
Dudchenko
,
E. L.
Aiden
,
P. G.
Wolynes
,
J. N.
Onuchic
, and
M.
Di Pierro
,
Nat. Commun.
14
,
326
(
2023
).
4.
A. M.
Oudelaar
and
D. R.
Higgs
,
Nat. Rev. Genet.
22
,
154
(
2021
).
5.
A.
Zidovska
,
D. A.
Weitz
, and
T. J.
Mitchison
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
110
,
15555
(
2013
).
6.
J. H.
Gibcus
,
K.
Samejima
,
A.
Goloborodko
,
I.
Samejima
,
N.
Naumova
,
J.
Nuebler
,
M. T.
Kanemaki
,
L.
Xie
,
J. R.
Paulson
,
W. C.
Earnshaw
,
L. A.
Mirny
, and
J.
Dekker
,
Science
359
,
eaao6135
(
2018
).
7.
C.
Hoencamp
,
O.
Dudchenko
,
A. M. O.
Elbatsh
,
S.
Brahmachari
,
J. A.
Raaijmakers
,
T.
van Schaik
,
Á.
Sedeño Cacciatore
,
V. G.
Contessoto
,
R. G. H. P.
van Heesbeen
,
B.
van den Broek
,
A. N.
Mhaskar
,
H.
Teunissen
,
B. G.
St Hilaire
,
D.
Weisz
,
A. D.
Omer
,
M.
Pham
,
Z.
Colaric
,
Z.
Yang
,
S. S. P.
Rao
,
N.
Mitra
,
C.
Lui
,
W.
Yao
,
R.
Khan
,
L. L.
Moroz
,
A.
Kohn
,
J.
St Leger
,
A.
Mena
,
K.
Holcroft
,
M. C.
Gambetta
,
F.
Lim
,
E.
Farley
,
N.
Stein
,
A.
Haddad
,
D.
Chauss
,
A. S.
Mutlu
,
M. C.
Wang
,
N. D.
Young
,
E.
Hildebrandt
,
H. H.
Cheng
,
C. J.
Knight
,
T. L. U.
Burnham
,
K. A.
Hovel
,
A. J.
Beel
,
P.-J.
Mattei
,
R. D.
Kornberg
,
W. C.
Warren
,
G.
Cary
,
J. L.
Gómez-Skarmeta
,
V.
Hinman
,
K.
Lindblad-Toh
,
F.
Di Palma
,
K.
Maeshima
,
A. S.
Multani
,
S.
Pathak
,
L.
Nel-Themaat
,
R. R.
Behringer
,
P.
Kaur
,
R. H.
Medema
,
B.
van Steensel
,
E.
de Wit
,
J. N.
Onuchic
,
M.
Di Pierro
,
E.
Lieberman Aiden
, and
B. D.
Rowland
,
Science
372
,
984
(
2021
).
8.
J.
Dekker
,
F.
Alber
,
S.
Aufmkolk
,
B. J.
Beliveau
,
B. G.
Bruneau
,
A. S.
Belmont
,
L.
Bintu
,
A.
Boettiger
,
R.
Calandrelli
,
C. M.
Disteche
,
D. M.
Gilbert
,
T.
Gregor
,
A. S.
Hansen
,
B.
Huang
,
D.
Huangfu
,
R.
Kalhor
,
C. S.
Leslie
,
W.
Li
,
Y.
Li
,
J.
Ma
,
W. S.
Noble
,
P. J.
Park
,
J. E.
Phillips-Cremins
,
K. S.
Pollard
,
S. M.
Rafelski
,
B.
Ren
,
Y.
Ruan
,
Y.
Shav-Tal
,
Y.
Shen
,
J.
Shendure
,
X.
Shu
,
C.
Strambio-De-Castillia
,z
A.
Vertii
,
H.
Zhang
, and
S.
Zhong
,
Mol. Cell
83
,
2624
(
2023
).
9.
T.
Stuart
and
R.
Satija
,
Nat. Rev. Genet.
20
,
257
(
2019
).
10.
X.
Chu
and
J.
Wang
,
Phys. Rev. Lett.
129
,
068102
(
2022
).
11.
T.
Cremer
and
C.
Cremer
,
Nat. Rev. Genet.
2
,
292
(
2001
).
12.
E.
Lieberman-Aiden
,
N. L.
van Berkum
,
L.
Williams
,
M.
Imakaev
,
T.
Ragoczy
,
A.
Telling
,
I.
Amit
,
B. R.
Lajoie
,
P. J.
Sabo
,
M. O.
Dorschner
,
R.
Sandstrom
,
B.
Bernstein
,
M. A.
Bender
,
M.
Groudine
,
A.
Gnirke
,
J.
Stamatoyannopoulos
,
L. A.
Mirny
,
E. S.
Lander
, and
J.
Dekker
,
Science
326
,
289
(
2009
).
13.
C.-T.
Ong
and
V. G.
Corces
,
Nat. Rev. Genet.
15
,
234
(
2014
).
14.
A. L.
Sanborn
,
S. S. P.
Rao
,
S.-C.
Huang
,
N. C.
Durand
,
M. H.
Huntley
,
A. I.
Jewett
,
I. D.
Bochkov
,
D.
Chinnappan
,
A.
Cutkosky
,
J.
Li
,
K. P.
Geeting
,
A.
Gnirke
,
A.
Melnikov
,
D.
McKenna
,
E. K.
Stamenova
,
E. S.
Lander
, and
E. L.
Aiden
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
112
,
E6456
E6465
(
2015
).
15.
S. V.
Ulianov
,
V. V.
Zakharova
,
A. A.
Galitsyna
,
P. I.
Kos
,
K. E.
Polovnikov
,
I. M.
Flyamer
,
E. A.
Mikhaleva
,
E. E.
Khrameeva
,
D.
Germini
,
M. D.
Logacheva
,
A. A.
Gavrilov
,
A. S.
Gorsky
,
S. K.
Nechaev
,
M. S.
Gelfand
,
Y. S.
Vassetzky
,
A. V.
Chertovich
,
Y. Y.
Shevelyov
, and
S. V.
Razin
,
Nat. Commun.
12
,
41
(
2021
).
16.
V. G.
Contessoto
,
R. R.
Cheng
, and
J. N.
Onuchic
,
Curr. Opin. Struct. Biol.
75
,
102418
(
2022
).
17.
M.
Di Pierro
,
B.
Zhang
,
E. L.
Aiden
,
P. G.
Wolynes
, and
J. N.
Onuchic
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
113
,
12168
(
2016
).
18.
M.
Di Pierro
,
R. R.
Cheng
,
E.
Lieberman Aiden
,
P. G.
Wolynes
, and
J. N.
Onuchic
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
114
,
12126
(
2017
).
19.
A. B.
Oliveira Junior
,
V. G.
Contessoto
,
M. F.
Mello
, and
J. N.
Onuchic
,
J. Mol. Biol.
433
,
166700
(
2021
).
20.
M.
Chiang
,
C. A.
Brackley
,
C.
Naughton
,
R.-S.
Nozawa
,
C.
Battaglia
,
D.
Marenduzzo
, and
N.
Gilbert
,
Cell Genomics
4
,
100698
(
2024
).
21.
A. M.
Chiariello
,
A.
Abraham
,
S.
Bianco
,
A.
Esposito
,
A.
Fontana
,
F.
Vercellone
,
M.
Conte
, and
M.
Nicodemi
,
Nat. Commun.
15
,
4014
(
2024
).
22.
A. B.
Oliveira Junior
,
C. P.
Estrada
,
E. L.
Aiden
,
V. G.
Contessoto
, and
J. N.
Onuchic
,
J. Phys. Chem. B
125
,
8757
(
2021
).
23.
M.
Conte
,
E.
Irani
,
A. M.
Chiariello
,
A.
Abraham
,
S.
Bianco
,
A.
Esposito
, and
M.
Nicodemi
,
Nat. Commun.
13
,
4070
(
2022
).
24.
J.
Onuchic
and
P.
Wolynes
,
Curr. Opin. Struct. Biol.
14
,
70
(
2004
).
25.
J.
Wang
,
R.
Oliveira
,
X.
Chu
,
P.
Whitford
,
J.
Chahine
,
W.
Han
,
E.
Wang
,
J.
Onuchic
, and
V.
Leite
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
109
,
15763
(
2012
).
26.
B.
Zhang
and
P. G.
Wolynes
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
112
,
6062
(
2015
).
27.
C.
Hyeon
and
D.
Thirumalai
,
Nat. Commun.
2
,
487
(
2011
).
28.
S.
Pressé
,
K.
Ghosh
,
J.
Lee
, and
K. A.
Dill
,
Rev. Mod. Phys.
85
,
1115
(
2013
).
29.
J. W.
Pitera
and
J. D.
Chodera
,
J. Chem. Theory Comput.
8
,
3445
(
2012
).
30.
B.
Roux
and
J.
Weare
,
J. Chem. Phys.
138
,
084107
(
2013
).
31.
L. A.
Mirny
,
M.
Imakaev
, and
N.
Abdennur
,
Curr. Opin. Cell Biol.
58
,
142
(
2019
).
32.
P.
Eastman
,
J.
Swails
,
J. D.
Chodera
,
R. T.
McGibbon
,
Y.
Zhao
,
K. A.
Beauchamp
,
L.-P.
Wang
,
A. C.
Simmonett
,
M. P.
Harrigan
,
C. D.
Stern
,
R. P.
Wiewiora
,
B. R.
Brooks
, and
V. S.
Pande
,
PLoS Comput. Biol.
13
,
e1005659
(
2017
).
33.
S.
Rao
,
M.
Huntley
,
N.
Durand
,
E.
Stamenova
,
I.
Bochkov
,
J.
Robinson
,
A.
Sanborn
,
I.
Machol
,
A.
Omer
,
E.
Lander
, and
E.
Aiden
,
Cell
159
,
1665
(
2014
).
34.
H. L.
Harris
,
H.
Gu
,
M.
Olshansky
,
A.
Wang
,
I.
Farabella
,
Y.
Eliaz
,
A.
Kalluchi
,
A.
Krishna
,
M.
Jacobs
,
G.
Cauer
,
M.
Pham
,
S. S. P.
Rao
,
O.
Dudchenko
,
A.
Omer
,
K.
Mohajeri
,
S.
Kim
,
M. H.
Nichols
,
E. S.
Davis
,
D.
Gkountaroulis
,
D.
Udupa
,
A. P.
Aiden
,
V. G.
Corces
,
D. H.
Phanstiel
,
W. S.
Noble
,
G.
Nir
,
M.
Di Pierro
,
J.-S.
Seo
,
M. E.
Talkowski
,
E. L.
Aiden
, and
M. J.
Rowley
,
Nat. Commun.
14
,
3303
(
2023
).
35.
D.
Sehnal
,
S.
Bittrich
,
M.
Deshpande
,
R.
Svobodová
,
K.
Berka
,
V.
Bazgier
,
S.
Velankar
,
S. K.
Burley
,
J.
Koča
, and
A. S.
Rose
,
Nucleic Acids Res.
49
,
W431
(
2021
).
36.
B.
Akgol Oksuz
,
L.
Yang
,
S.
Abraham
,
S. V.
Venev
,
N.
Krietenstein
,
K. M.
Parsi
,
H.
Ozadam
,
M. E.
Oomen
,
A.
Nand
,
H.
Mao
,
R. M. J.
Genga
,
R.
Maehr
,
O. J.
Rando
,
L. A.
Mirny
,
J. H.
Gibcus
, and
J.
Dekker
,
Nat. Methods
18
,
1046
(
2021
).
37.
M. S.
Cheung
,
D.
Klimov
, and
D.
Thirumalai
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
102
,
4753
(
2005
).
38.
T.
Ando
and
J.
Skolnick
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
107
,
18457
(
2010
).
39.
V. G.
Contessoto
,
P. H. B.
Ferreira
,
J.
Chahine
,
V. B. P.
Leite
, and
R. J.
Oliveira
,
J. Phys. Chem. B
125
,
11673
(
2021
).
40.
Q.
Szabo
,
F.
Bantignies
, and
G.
Cavalli
,
Sci. Adv.
5
,
eaaw1668
(
2019
).
41.
M.
Imakaev
,
G.
Fudenberg
,
R. P.
McCord
,
N.
Naumova
,
A.
Goloborodko
,
B. R.
Lajoie
,
J.
Dekker
, and
L. A.
Mirny
,
Nat. Methods
9
,
999
(
2012
).
42.
K.
Kruse
,
C. B.
Hug
, and
J. M.
Vaquerizas
,
Genome Biol.
21
,
303
(
2020
).
43.
A. N.
Boettiger
,
B.
Bintu
,
J. R.
Moffitt
,
S.
Wang
,
B. J.
Beliveau
,
G.
Fudenberg
,
M.
Imakaev
,
L. A.
Mirny
,
C.-t.
Wu
, and
X.
Zhuang
,
Nature
529
,
418
(
2016
).
44.
M. R.
Hübner
and
D. L.
Spector
,
Annu. Rev. Biophys.
39
,
471
(
2010
).
45.
E.
Miron
,
R.
Oldenkamp
,
J. M.
Brown
,
D. M. S.
Pinto
,
C. S.
Xu
,
A. R.
Faria
,
H. A.
Shaban
,
J. D. P.
Rhodes
,
C.
Innocent
,
S.
de Ornellas
,
H. F.
Hess
,
V.
Buckle
, and
L.
Schermelleh
,
Sci. Adv.
6
,
eaba8811
(
2020
).
46.
H.
Muller
,
V. F.
Scolari
,
N.
Agier
,
A.
Piazza
,
A.
Thierry
,
G.
Mercy
,
S.
Descorps-Declere
,
L.
Lazar-Stefanita
,
O.
Espeli
,
B.
Llorente
,
G.
Fischer
,
J.
Mozziconacci
, and
R.
Koszul
,
Mol. Syst. Biol.
14
,
e8293
(
2018
).
47.
S. A.
Schalbetter
,
G.
Fudenberg
,
J.
Baxter
,
K. S.
Pollard
, and
M. J.
Neale
,
Nat. Commun.
10
,
4795
(
2019
).
48.
M. D.
Frank-Kamenetskii
,
A. V.
Lukashin
, and
A. V.
Vologodskii
,
Nature
258
,
398
(
1975
).
49.
A. R.
Klotz
and
M.
Maldonado
,
J. Phys. A: Math. Theor.
54
,
445201
(
2021
).
50.
A.
Grosberg
,
Y.
Rabin
,
S.
Havlin
, and
A.
Neer
,
Europhys. Lett.
23
,
373
(
1993
).
51.
L. F.
Liu
,
C.-C.
Liu
, and
B. M.
Alberts
,
Cell
19
,
697
(
1980
).
52.
F.
Tavares-Cadete
,
D.
Norouzi
,
B.
Dekker
,
Y.
Liu
, and
J.
Dekker
,
Nat. Struct. Mol. Biol.
27
,
1105
(
2020
).
53.
D.
Goundaroulis
,
E.
Lieberman Aiden
, and
A.
Stasiak
,
Biophys. J.
118
,
2268
(
2020
).
54.
C. D.
Peña Martinez
,
M.
Zeraati
,
R.
Rouet
,
O.
Mazigi
,
J. Y.
Henry
,
B.
Gloss
,
J. A.
Kretzmann
,
C. W.
Evans
,
E.
Ruggiero
,
I.
Zanin
,
M.
Marušič
,
J.
Plavec
,
S. N.
Richter
,
T. M.
Bryan
,
N. M.
Smith
,
M. E.
Dinger
,
S.
Kummerfeld
, and
D.
Christ
,
EMBO J.
43
,
4786
4804
(
2024
).
56.
L.
Liu
,
G.
Shi
,
D.
Thirumalai
, and
C.
Hyeon
,
PLoS Comput. Biol.
14
,
e1006617
(
2018
).
57.
P.
Pierański
,
Comput. Methods Sci. Technol.
4
,
9
(
1998
).
58.
M. E.
Tipping
and
C. M.
Bishop
,
J. R. Stat. Soc. Ser. B: Stat. Methodol.
61
,
611
(
1999
).
59.
H.
Belaghzal
,
T.
Borrman
,
A. D.
Stephens
,
D. L.
Lafontaine
,
S. V.
Venev
,
Z.
Weng
,
J. F.
Marko
, and
J.
Dekker
,
Nat. Genet.
53
,
367
(
2021
).
60.
G.
Shi
,
L.
Liu
,
C.
Hyeon
, and
D.
Thirumalai
,
Nat. Commun.
9
,
3161
(
2018
).
61.
P. G.
Wolynes
,
J. N.
Onuchic
, and
D.
Thirumalai
,
Science
267
,
1619
(
1995
).
62.
V. U.
Antunes
,
E. E.
Llontop
,
F. N. d. C.
Vasconcelos
,
Y.
López de los Santos
,
R. J.
Oliveira
,
N.
Lincopan
,
C. S.
Farah
,
N.
Doucet
,
A.
Mittermaier
, and
D. C.
Favaro
,
Biochemistry
58
,
3604
(
2019
).
63.
V.
Contessoto
,
D.
Lima
,
R.
Oliveira
,
A.
Bruni
,
J.
Chahine
, and
V.
Leite
, “
Analyzing the effect of homogeneous frustration in protein folding: Optimum frustration for protein folding
,”
Proteins: Struct., Funct., Bioinf.
81
,
1727
(
2013
).
64.
L. V. D.
Maaten
and
G.
Hinton
,
J. Mach. Learn. Res.
9
,
2579
(
2008
).
65.
S.
Kullback
and
R. A.
Leibler
,
Ann. Math. Stat.
22
,
79
(
1951
).
66.
P. G.
Wolynes
,
J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol.
102
,
187
(
1997
).
67.
T.
Jin
,
S. L.
Hilburg
, and
A.
Alexander-Katz
,
Polymer
265
,
125503
(
2023
).
68.
Y. S.
Mao
,
B.
Zhang
, and
D. L.
Spector
,
Trends Genet.
27
,
295
(
2011
).
69.
Y.
Gruenbaum
,
K. L.
Wilson
,
A.
Harel
,
M.
Goldberg
, and
M.
Cohen
,
J. Struct. Biol.
129
,
313
(
2000
).
70.
J. H.
Haarhuis
and
B. D.
Rowland
,
EMBO J.
36
,
3549
(
2017
).
71.
G.
Wutz
,
C.
Várnai
,
K.
Nagasaka
,
D. A.
Cisneros
,
R. R.
Stocsits
,
W.
Tang
,
S.
Schoenfelder
,
G.
Jessberger
,
M.
Muhar
,
M. J.
Hossain
,
N.
Walther
,
B.
Koch
,
M.
Kueblbeck
,
J.
Ellenberg
,
J.
Zuber
,
P.
Fraser
, and
J.
Peters
,
EMBO J.
36
,
3573
(
2017
).
72.
M.
Conte
,
L.
Fiorillo
,
S.
Bianco
,
A. M.
Chiariello
,
A.
Esposito
, and
M.
Nicodemi
,
Nat. Commun.
11
,
3289
(
2020
).
73.
M.
Gabriele
,
H. B.
Brandão
,
S.
Grosse-Holz
,
A.
Jha
,
G. M.
Dailey
,
C.
Cattoglio
,
T.-H. S.
Hsieh
,
L.
Mirny
,
C.
Zechner
, and
A. S.
Hansen
,
Science
376
,
496
(
2022
).
74.
B.
Bintu
,
L. J.
Mateo
,
J.-H.
Su
,
N. A.
Sinnott-Armstrong
,
M.
Parker
,
S.
Kinrot
,
K.
Yamaya
,
A. N.
Boettiger
, and
X.
Zhuang
,
Science
362
,
eaau1783
(
2018
).
75.
B. A.
Gibson
,
L. K.
Doolittle
,
M. W. G.
Schneider
,
L. E.
Jensen
,
N.
Gamarra
,
L.
Henry
,
D. W.
Gerlich
,
S.
Redding
, and
M. K.
Rosen
,
Cell
179
,
470
(
2019
).
76.
Z.
Tang
,
O. J.
Luo
,
X.
Li
,
M.
Zheng
,
J. J.
Zhu
,
P.
Szalaj
,
P.
Trzaskoma
,
A.
Magalska
,
J.
Wlodarczyk
,
B.
Ruszczycki
,
P.
Michalski
,
E.
Piecuch
,
P.
Wang
,
D.
Wang
,
S. Z.
Tian
,
M.
Penrad-Mobayed
,
L. M.
Sachs
,
X.
Ruan
,
C.-L.
Wei
,
E. T.
Liu
,
G. M.
Wilczynski
,
D.
Plewczynski
,
G.
Li
, and
Y.
Ruan
,
Cell
163
,
1611
(
2015
).
77.
S.
Kadam
,
K.
Kumari
,
V.
Manivannan
,
S.
Dutta
,
M. K.
Mitra
, and
R.
Padinhateeri
,
Nat. Commun.
14
,
4108
(
2023
).
78.
R. R.
Cheng
,
V. G.
Contessoto
,
E.
Lieberman Aiden
,
P. G.
Wolynes
,
M.
Di Pierro
, and
J. N.
Onuchic
,
eLife
9
,
e60312
(
2020
).
79.
S.
Fujishiro
and
M.
Sasai
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
119
,
e2109838119
(
2022
).
81.
R. A.
Beagrie
,
C. J.
Thieme
,
C.
Annunziatella
,
C.
Baugher
,
Y.
Zhang
,
M.
Schueler
,
A.
Kukalev
,
R.
Kempfer
,
A. M.
Chiariello
,
S.
Bianco
,
Y.
Li
,
T.
Davis
,
A.
Scialdone
,
L. R.
Welch
,
M.
Nicodemi
, and
A.
Pombo
,
Nat. Methods
20
,
1037
(
2023
).
82.
Y.
Zhang
,
L.
Boninsegna
,
M.
Yang
,
T.
Misteli
,
F.
Alber
, and
J.
Ma
,
Nat. Rev. Genet.
25
,
123
141
(
2023
).
You do not currently have access to this content.