Please wait a minute...

Frontiers in Biology

Front. Biol.    2017, Vol. 12 Issue (4) : 241-257
Illuminating the structure and dynamics of chromatin by fluorescence labeling
Shipeng Shao, Lei Chang, Yingping Hou, Yujie Sun()
State Key Laboratory of Membrane Biology, Biodynamic Optical Imaging Center (BIOPIC), School of Life Sciences, Peking University, Beijing 100871, China
Download: PDF(4097 KB)   HTML
Export: BibTeX | EndNote | Reference Manager | ProCite | RefWorks

BACKGROUND: Visualization of chromosomal loci location and dynamics is crucial for understanding many fundamental intra-nuclear processes such as DNA transcription, replication, and repair.

OBJECTIVE: Here, we will describe the development of fluorescence labeling methods for chromatin imaging, including traditional as well as emerging chromatin labeling techniques in both fixed and live cells. We will also discuss current issues and provide a perspective on future developments and applications of the chromatin labeling technology.

METHODS: A systematic literature search was performed using the PubMed. Studies published over the past 50 years were considered for review. More than 100 articles were cited in this review.

RESULTS: Taking into account sensitivity, specificity, and spatiotemporal resolution, fluorescence labeling and imaging has been the most prevalent approach for chromatin visualization. Among all the fluorescent labeling tools, the adoption of genome editing tools, such as TALE and CRISPR, have great potential for the labeling and imaging of chromatin.

CONCLUSION: Although a number of chromatin labeling techniques are available for both fixed and live cells, much more effort is still clearly required to develop fluorescence labeling methods capable of targeting arbitrary sequences non-intrusively to allow long-term, multiplexing, and high-throughput imaging of genomic loci and chromatin structures. The emerging technological advances will outline a next-generation effort toward the comprehensive delineation of chromatin at single-cell level with single-molecule resolution.

Keywords chromatin structure and dynamics      FROS      FISH      TALE      CRISPR/Cas9      single-guide RNA      Suntag      super-resolution imaging     
Corresponding Author(s): Yujie Sun   
Just Accepted Date: 27 May 2017   Online First Date: 27 June 2017    Issue Date: 13 September 2017
 Cite this article:   
Shipeng Shao,Lei Chang,Yingping Hou, et al. Illuminating the structure and dynamics of chromatin by fluorescence labeling[J]. Front. Biol., 2017, 12(4): 241-257.
E-mail this article
E-mail Alert
Articles by authors
Shipeng Shao
Lei Chang
Yingping Hou
Yujie Sun
Labeling systemOriginMultiplexing capacityMulti-color capacityAdvantagesDrawbacksApplicationsReference
IntrusiveDNA dyeExogenousNoNoEasy to implementUnspecific; Bulk labellingAny cell type; Labeling the nucleus DNAKapuscinski, 1995
FISH (fluorescence in situ hybridization)ExogenousGreatYesSequence specific; Highly parallel, library level; Allow super-resolution imaging; Signal amplificationFixed cellAny cell type; Single gene localization; Chromatin interaction; Chromosome paintingGall and Pardue, 1969; Pardue and Gall, 1969; Langer-Safer et al., 1982; Tagarro et al., 1994; Ried et al., 1998; Cremer et al., 2000; Levsky and Singer, 2003; Bolzer et al., 2005; Simonis et al., 2006; Beliveau et al., 2012; Nora et al., 2012; Bienko et al., 2013; Chen et al., 2013; Beliveau et al., 2015; Deng et al., 2015; Boettiger et al., 2016; Wang et al., 2016
Histones (H2B-GFP etc.)ExogenousNoNoLive cell; Photoactivatable fusion allows activating individual chromosomes; Easy to stably expressUnspecific; Bulk labellingAny cell type; Chromosome dynamics during cell cycleAbney et al.,1997; Kanda et al., 1998; Held et al., 2010; Ricci et al., 2015
Fluorescent dNTPsExogenousNoYesFixed cell; Allow super-resolution maging; Transfection or injectionUnspecific; Semi-Bulk labellingAny cell type; Replication region LabelingBick and Davidson, 1974; Gratzner, 1982; Waldman et al., 1991; Salic and Mitchison, 2008
FROS (Fluorescent repressor Operator system)E. coli(lactose); Tn10 transposon (tetracycline gene); Phage lambda; ParB-INT systemNoYesRobust; Live cell; Bright; High signal-to- noise ratio; Long term tracking; Ease to stably expressReplication blockage (fragile sites); Potential chromatin disruption; Interference with transcriptionYeast, difficult in metazoans; DNA repair and manipulationGilbert and Muller-Hill,1966; Hillen et al., 1982; Robinett et al., 1996; Viollier et al., 2004; Soutoglou et al., 2007; Masui et al., 2011; Verdaasdonk et al., 2013; Roukos et al., 2013; Backlund et al.,2014; Lucas et al., 2014
Non- intrusiveNative DNA binding proteinsEndogenousNoNoAny cell type; Live cell; Single component; Easy to stably expressLimited number availableOriginal cells; Telomere and centromereWang et al., 2011; Kepten et al., 2015
(Zinc-finger nuclease)
EukaryotesNoYesLive cell; Sequence specific; Single component; Easy to stably expressTranscription block; Hard to constructionAny cell type; Repetitive SequencesSegal et al.,1999; Lindhout et al., 2007
(transcription activator-like effector)
Xanthomonas oryzae transcription activatorLittleYesLive cell; Sequence specific; Single component; Easy to stably expressTranscription block; Hard to constructionAny cell type; Repetitive SequencesSegal et al., 1999; Lindhout et al., 2007; Boch et al., 2009; Ma et al., 2013; Miyanari et al., 2013, 2014; Pederson, 2014; Thanisch et al., 2014; Wu et al., 2015; Hu et al., 2017; Ren et al., 2017
dCas9 based CRISPR clustered regulatory interspaced short palindromic repeat)Streptococcus pyrogenes (SP), NM, ST1, SAGoodYesHigh throughput; Live cell; Sequence specific; Easy to constructTranscription block; Local DNA unwinding/triple helix formation; Multiple components; Hard to stably expressAny cell type; Repetitive or non-repetitiveHorvath and Barrangou, 2010; Chen et al., 2013; Esvelt et al., 2013; Fanucchi et al., 2013; Fujita and Fujii, 2013; Mali et al., 2013; Levine, 2014; O'Connell et al., 2014; Ma et al., 2015; Ran et al., 2015; Zalatan et al., 2015; Chen et al., 2016; Nelles et al., 2016
sgRNA based CRISPRStreptococcus pyrogenes (SP), NM, ST1, SAGreatYesAny cell type; High throughput; Sequence specific; Live cell; Long term observation; Easy to constructTranscription block; Local DNA unwinding/triple helix formation; Multiple components; Hard to stably expressRepetitive or non-repetitiveBertrand et al.,1998; Daigl and Ellenberg, 2007; Larson et al., 2011; Strack et al., 2013; Shechner et al., 2015; Cheng et al., 2016; Shao et al., 2016
Tab.1  Comparisons of different chromatin labeling methods
Fig.1  Conventional intrusive labeling of chromatin loci in fixed and living mammalian cells.
Fig.2  Emerging non-intrusive multicolor labeling of repetitive chromatin loci in living cells.
Fig.3  Future development of the non-intrusive CRISPR-based chromatin labeling: signal amplification and multiplexing.
1 Abney J R, Cutler B, Fillbach M L, Axelrod D, Scalettar B A (1997). Chromatin dynamics in interphase nuclei and its implications for nuclear structure. J Cell Biol, 137(7): 1459–1468 pmid: 9199163
2 Aizer A, Brody Y, Ler L W, Sonenberg N, Singer R H, Shav-Tal Y (2008). The dynamics of mammalian P body transport, assembly, and disassembly in vivo. Mol Biol Cell, 19(10): 4154–4166 pmid: 18653466
3 Backlund M P, Joyner R, Weis K, Moerner W E (2014). Correlations of three-dimensional motion of chromosomal loci in yeast revealed by the double-helix point spread function microscope. Mol Biol Cell, 25(22): 3619–3629 pmid: 25318676
4 Badique F, Stamov D R, Davidson P M, Veuillet M, Reiter G, Freund J N, Franz C M, Anselme K (2013). Directing nuclear deformation on micropillared surfaces by substrate geometry and cytoskeleton organization. Biomaterials, 34(12): 2991–3001 pmid: 23357373
5 Beliveau B J, Boettiger A N, Avendaño M S, Jungmann R, McCole R B, Joyce E F, Kim-Kiselak C, Bantignies F, Fonseka C Y, Erceg J, Hannan M A, Hoang H G, Colognori D, Lee J T, Shih W M, Yin P, Zhuang X, Wu C T (2015). Single-molecule super-resolution imaging of chromosomes and in situ haplotype visualization using Oligopaint FISH probes. Nat Commun, 6: 7147 pmid: 25962338
6 Beliveau B J, Joyce E F, Apostolopoulos N, Yilmaz F, Fonseka C Y, McCole R B, Chang Y, Li J B, Senaratne T N, Williams B R, Rouillard J M, Wu C T (2012). Versatile design and synthesis platform for visualizing genomes with Oligopaint FISH probes. Proc Natl Acad Sci USA, 109(52): 21301–21306 pmid: 23236188
7 Belmont A S (2001). Visualizing chromosome dynamics with GFP. Trends Cell Biol, 11(6): 250–257 pmid: 11356361
8 Bertrand E, Chartrand P, Schaefer M, Shenoy S M, Singer R H, Long R M (1998). Localization of ASH1 mRNA particles in living yeast. Mol Cell, 2(4): 437–445 pmid: 9809065
9 Bick M D, Davidson R L (1974). Total substitution of bromodeoxyuridine for thymidine in the DNA of a bromodeoxyuridine-dependent cell line. Proc Natl Acad Sci USA, 71(5): 2082–2086 pmid: 4525473
10 Bienko M, Crosetto N, Teytelman L, Klemm S, Itzkovitz S, van Oudenaarden A (2013). A versatile genome-scale PCR-based pipeline for high-definition DNA FISH. Nat Methods, 10(2): 122–124 pmid: 23263692
11 Boch J, Scholze H, Schornack S, Landgraf A, Hahn S, Kay S, Lahaye T, Nickstadt A, Bonas U (2009). Breaking the code of DNA binding specificity of TAL-type III effectors. Science, 326(5959): 1509–1512 pmid: 19933107
12 Boettiger A N, Bintu B, Moffitt J R, Wang S, Beliveau B J, Fudenberg G, Imakaev M, Mirny L A, Wu C T, Zhuang X (2016). Super-resolution imaging reveals distinct chromatin folding for different epigenetic states. Nature, 529(7586): 418–422 pmid: 26760202
13 Bohn M, Diesinger P, Kaufmann R, Weiland Y, Müller P, Gunkel M, von Ketteler A, Lemmer P, Hausmann M, Heermann D W, Cremer C (2010). Localization microscopy reveals expression-dependent parameters of chromatin nanostructure. Biophys J, 99(5): 1358–1367 pmid: 20816047
14 Bolzer A, Kreth G, Solovei I, Koehler D, Saracoglu K, Fauth C, Müller S, Eils R, Cremer C, Speicher M R, Cremer T (2005). Three-dimensional maps of all chromosomes in human male fibroblast nuclei and prometaphase rosettes. PLoS Biol, 3(5): e157 pmid: 15839726
15 Chacón M R, Delivani P, Tolić I M (2016). Meiotic Nuclear Oscillations Are Necessary to Avoid Excessive Chromosome Associations. Cell Reports, 17(6): 1632–1645 pmid: 27806301
16 Chakalova L, Fraser P (2008). Brushed aside and silenced. Dev Cell, 14(4): 461–462 pmid: 18410721
17 Chen B, Gilbert L A, Cimini B A, Schnitzbauer J, Zhang W, Li G W, Park J, Blackburn E H, Weissman J S, Qi L S, Huang B (2013). Dynamic imaging of genomic loci in living human cells by an optimized CRISPR/Cas system. Cell, 155(7): 1479–1491 pmid: 24360272
18 Chen B, Hu J, Almeida R, Liu H, Balakrishnan S, Covill-Cooke C, Lim W A, Huang B (2016). Expanding the CRISPR imaging toolset with Staphylococcus aureus Cas9 for simultaneous imaging of multiple genomic loci. Nucleic Acids Res, 44(8): e75 pmid: 26740581
19 Chen B C, Legant W R, Wang K, Shao L, Milkie D E, Davidson M W, Janetopoulos C, Wu X S, Hammer J A 3rd, Liu Z, English B P, Mimori-Kiyosue Y, Romero D P, Ritter A T, Lippincott-Schwartz J, Fritz-Laylin L, Mullins R D, Mitchell D M, Bembenek J N, Reymann A C, Böhme R, Grill S W, Wang J T, Seydoux G, Tulu U S, Kiehart D P, Betzig E (2014). Lattice light-sheet microscopy: imaging molecules to embryos at high spatiotemporal resolution. Science, 346(6208): 1257998 pmid: 25342811
20 Cheng A W, Jillette N, Lee P, Plaskon D, Fujiwara Y, Wang W, Taghbalout A, Wang H (2016). Casilio: a versatile CRISPR-Cas9-Pumilio hybrid for gene regulation and genomic labeling. Cell Res, 26(2): 254–257 pmid: 26768771
21 Chuang C H, Carpenter A E, Fuchsova B, Johnson T, de Lanerolle P, Belmont A S (2006). Long-range directional movement of an interphase chromosome site. Curr Biol, 16(8): 825–831 pmid: 16631592
22 Cremer M, Grasser F, Lanctôt C, Müller S, Neusser M, Zinner R, Solovei I, Cremer T (2008). Multicolor 3D fluorescence in situ hybridization for imaging interphase chromosomes. Methods Mol Biol, 463: 205–239 pmid: 18951171
23 Cremer T, Cremer C (2001). Chromosome territories, nuclear architecture and gene regulation in mammalian cells. Nat Rev Genet, 2(4): 292–301 pmid: 11283701
24 Cremer T, Kreth G, Koester H, Fink R H, Heintzmann R, Cremer M, Solovei I, Zink D, Cremer C (2000). Chromosome territories, interchromatin domain compartment, and nuclear matrix: an integrated view of the functional nuclear architecture. Crit Rev Eukaryot Gene Expr, 10(2): 179–212 pmid: 11186332
25 Daigle N, Ellenberg J (2007). LambdaN-GFP: an RNA reporter system for live-cell imaging. Nat Methods, 4(8): 633–636 pmid: 17603490
26 Dekker J, et al. (2017). The 4D Nucleome Project. bioRxiv
27 Dekker J, Mirny L (2016). The 3D Genome as Moderator of Chromosomal Communication. Cell, 164(6): 1110–1121 pmid: 26967279
28 Deng W, Lee J, Wang H, Miller J, Reik A, Gregory P D, Dean A, Blobel G A (2012). Controlling long-range genomic interactions at a native locus by targeted tethering of a looping factor. Cell, 149(6): 1233–1244 pmid: 22682246
29 Deng W, Shi X, Tjian R, Lionnet T, Singer R H (2015). CASFISH: CRISPR/Cas9-mediated in situ labeling of genomic loci in fixed cells. Proc Natl Acad Sci USA, 112(38): 11870–11875 pmid: 26324940
30 Dixon J R, Selvaraj S, Yue F, Kim A, Li Y, Shen Y, Hu M, Liu J S, Ren B (2012). Topological domains in mammalian genomes identified by analysis of chromatin interactions. Nature, 485(7398): 376–380 pmid: 22495300
31 Esvelt K M, Mali P, Braff J L, Moosburner M, Yaung S J, Church G M (2013). Orthogonal Cas9 proteins for RNA-guided gene regulation and editing. Nat Methods, 10(11): 1116–1121 pmid: 24076762
32 Fabre P J, et al. (2016). Visualizing the HoxD Gene Cluster at the Nanoscale Level. Cold Spring Harb Symp Quant Biol
pmid: 26767994
33 Fanucchi S, Shibayama Y, Burd S, Weinberg M S, Mhlanga M M (2013). Chromosomal contact permits transcription between coregulated genes. Cell, 155(3): 606–620 pmid: 24243018
34 Finlan L E, Sproul D, Thomson I, Boyle S, Kerr E, Perry P, Ylstra B, Chubb J R, Bickmore W A (2008). Recruitment to the nuclear periphery can alter expression of genes in human cells. PLoS Genet, 4(3): e1000039 pmid: 18369458
35 Fujita T, Fujii H (2013). Efficient isolation of specific genomic regions and identification of associated proteins by engineered DNA-binding molecule-mediated chromatin immunoprecipitation (enChIP) using CRISPR. Biochem Biophys Res Commun, 439(1): 132–136 pmid: 23942116
36 Gall J G, Pardue M L (1969). Formation and detection of RNA-DNA hybrid molecules in cytological preparations. Proc Natl Acad Sci USA, 63(2): 378–383 pmid: 4895535
37 Gebhardt J C, Suter D M, Roy R, Zhao Z W, Chapman A R, Basu S, Maniatis T, Xie X S (2013). Single-molecule imaging of transcription factor binding to DNA in live mammalian cells. Nat Methods, 10(5): 421–426 pmid: 23524394
38 Gilbert W, Müller-Hill B (1966). Isolation of the lac repressor. Proc Natl Acad Sci USA, 56(6): 1891–1898 pmid: 16591435
39 Gratzner H G (1982). Monoclonal antibody to 5-bromo- and 5-iododeoxyuridine: A new reagent for detection of DNA replication. Science, 218(4571): 474–475 pmid: 7123245
40 Grimm J B, English B P, Chen J, Slaughter J P, Zhang Z, Revyakin A, Patel R, Macklin J J, Normanno D, Singer R H, Lionnet T, Lavis L D (2015). A general method to improve fluorophores for live-cell and single-molecule microscopy. Nat Methods, 12(3): 244–250, 3, 250 pmid: 25599551
41 Guan J, Liu H, Shi X, Feng S, Huang B (2017). Tracking multiple genomic elements using correlative CRISPR imaging and sequential DNA FISH. Biophys J, 112(6): 1077–1084 pmid: 28355536
42 Guo Y, Xu Q, Canzio D, Shou J, Li J, Gorkin D U, Jung I, Wu H, Zhai Y, Tang Y, Lu Y, Wu Y, Jia Z, Li W, Zhang M Q, Ren B, Krainer A R, Maniatis T, Wu Q (2015). CRISPR Inversion of CTCF Sites Alters Genome Topology and Enhancer/Promoter Function. Cell, 162(4): 900–910 pmid: 26276636
43 Held M, Schmitz M H, Fischer B, Walter T, Neumann B, Olma M H, Peter M, Ellenberg J, Gerlich D W (2010). CellCognition: time-resolved phenotype annotation in high-throughput live cell imaging. Nat Methods, 7(9): 747–754 pmid: 20693996
44 Hillen W, Klock G, Kaffenberger I, Wray L V, Reznikoff W S (1982). Purification of the TET repressor and TET operator from the transposon Tn10 and characterization of their interaction. J Biol Chem, 257(11): 6605–6613
pmid: 6281280
45 Horvath P, Barrangou R (2010). CRISPR/Cas, the immune system of bacteria and archaea. Science, 327(5962): 167–170 pmid: 20056882
46 Hsu P D, Lander E S, Zhang F (2014). Development and applications of CRISPR-Cas9 for genome engineering. Cell, 157(6): 1262–1278 pmid: 24906146
47 Hu H, Zhang H, Wang S, Ding M, An H, Hou Y, Yang X, Wei W, Sun Y, Tang C (2017). Live visualization of genomic loci with BiFC-TALE. Sci Rep, 7: 40192 pmid: 28074901
48 Hübner M R, Spector D L (2010). Chromatin dynamics. Annu Rev Biophys, 39(1): 471–489 pmid: 20462379
49 Kamiyama D, Sekine S, Barsi-Rhyne B, Hu J, Chen B, Gilbert L A, Ishikawa H, Leonetti M D, Marshall W F, Weissman J S, Huang B (2016). Versatile protein tagging in cells with split fluorescent protein. Nat Commun, 7: 11046 pmid: 26988139
50 Kanda T, Sullivan K F, Wahl G M (1998). Histone-GFP fusion protein enables sensitive analysis of chromosome dynamics in living mammalian cells. Curr Biol, 8(7): 377–385 pmid: 9545195
51 Kapuscinski J (1995). DAPI: a DNA-specific fluorescent probe. Biotech Histochem, 70(5): 220–233 pmid: 8580206
52 Kepten E, Weron A, Bronstein I, Burnecki K, Garini Y (2015). Uniform Contraction-Expansion Description of Relative Centromere and Telomere Motion. Biophys J, 109(7): 1454–1462 pmid: 26445446
53 Kind J, Pagie L, Ortabozkoyun H, Boyle S, de Vries S S, Janssen H, Amendola M, Nolen L D, Bickmore W A, van Steensel B (2013). Single-cell dynamics of genome-nuclear lamina interactions. Cell, 153(1): 178–192 pmid: 23523135
54 Kumaran R I, Spector D L (2008). A genetic locus targeted to the nuclear periphery in living cells maintains its transcriptional competence. J Cell Biol, 180(1): 51–65 pmid: 18195101
55 Kumaran R I, Thakar R, Spector D L (2008). Chromatin dynamics and gene positioning. Cell, 132(6): 929–934 pmid: 18358806
56 Langer-Safer P R, Levine M, Ward D C (1982). Immunological method for mapping genes on Drosophila polytene chromosomes. Proc Natl Acad Sci USA, 79(14): 4381–4385 pmid: 6812046
57 Larson D R, Zenklusen D, Wu B, Chao J A, Singer R H (2011). Real-time observation of transcription initiation and elongation on an endogenous yeast gene. Science, 332(6028): 475–478 pmid: 21512033
58 Levi V, Ruan Q, Plutz M, Belmont A S, Gratton E (2005). Chromatin dynamics in interphase cells revealed by tracking in a two-photon excitation microscope. Biophys J, 89(6): 4275–4285 pmid: 16150965
59 Levine M (2014). The contraction of time and space in remote chromosomal interactions. Cell, 158(2): 243–244 pmid: 25036625
60 Levsky J M, Singer R H (2003). Fluorescence in situ hybridization: past, present and future. J Cell Sci, 116(Pt 14): 2833–2838 pmid: 12808017
61 Li D, Shao L, Chen B C, Zhang X, Zhang M, Moses B, Milkie D E, Beach J R, Hammer J A 3rd, Pasham M, Kirchhausen T, Baird M A, Davidson M W, Xu P, Betzig E (2015). ADVANCED IMAGING. Extended-resolution structured illumination imaging of endocytic and cytoskeletal dynamics. Science, 349(6251): aab3500 pmid: 26315442
62 Li J, Zhang B B, Ren Y G, Gu S Y, Xiang Y H, Du J L (2015). Intron targeting-mediated and endogenous gene integrity-maintaining knockin in zebrafish using the CRISPR/Cas9 system. Cell Res, 25(5): 634–637 pmid: 25849248
63 Lindhout B I, Fransz P, Tessadori F, Meckel T, Hooykaas P J, van der Zaal B J (2007). Live cell imaging of repetitive DNA sequences via GFP-tagged polydactyl zinc finger proteins. Nucleic Acids Res, 35(16): e107 pmid: 17704126
64 Lottersberger F, Karssemeijer R A, Dimitrova N, de Lange T (2015). 53BP1 and the LINC complex promote microtubule-dependent DSB mobility and DNA Repair. Cell, 163(4): 880–893 pmid: 26544937
65 Lucas J S, Zhang Y, Dudko O K, Murre C (2014). 3D trajectories adopted by coding and regulatory DNA elements: first-passage times for genomic interactions. Cell, 158(2): 339–352 pmid: 24998931
66 Ma H, Naseri A, Reyes-Gutierrez P, Wolfe S A, Zhang S, Pederson T (2015). Multicolor CRISPR labeling of chromosomal loci in human cells. Proc Natl Acad Sci USA, 112(10): 3002–3007 pmid: 25713381
67 Ma H, Reyes-Gutierrez P, Pederson T (2013). Visualization of repetitive DNA sequences in human chromosomes with transcription activator-like effectors. Proc Natl Acad Sci USA, 110(52): 21048–21053 pmid: 24324157
68 Ma H, Tu L C, Naseri A, Huisman M, Zhang S, Grunwald D, Pederson T (2016). Multiplexed labeling of genomic loci with dCas9 and engineered sgRNAs using CRISPRainbow. Nat Biotechnol, 34(5): 528–530 pmid: 27088723
69 Mali P, Yang L, Esvelt K M, Aach J, Guell M, DiCarlo J E, Norville J E, Church G M (2013). RNA-guided human genome engineering via Cas9. Science, 339(6121): 823–826 pmid: 23287722
70 Marshall W F, Straight A, Marko J F, Swedlow J, Dernburg A, Belmont A, Murray A W, Agard D A, Sedat J W (1997). Interphase chromosomes undergo constrained diffusional motion in living cells. Curr Biol, 7(12): 930–939 pmid: 9382846
71 Masui O, Bonnet I, Le Baccon P, Brito I, Pollex T, Murphy N, Hupé P, Barillot E, Belmont A S, Heard E (2011). Live-cell chromosome dynamics and outcome of X chromosome pairing events during ES cell differentiation. Cell, 145(3): 447–458 pmid: 21529716
72 Meaburn K J, Misteli T (2007). Cell biology: chromosome territories. Nature, 445(7126): 379–781 pmid: 17251970
73 Meldi L, Brickner J H (2011). Compartmentalization of the nucleus. Trends Cell Biol, 21(12): 701–708 pmid: 21900010
74 Miyanari Y (2014). TAL effector-mediated genome visualization (TGV). Methods, 69(2): 198–204 pmid: 24704356
75 Miyanari Y, Ziegler-Birling C, Torres-Padilla M E (2013). Live visualization of chromatin dynamics with fluorescent TALEs. Nat Struct Mol Biol, 20(11): 1321–1324 pmid: 24096363
76 Nelles D A, Fang M Y, O’Connell M R, Xu J L, Markmiller S J, Doudna J A, Yeo G W (2016). Programmable RNA tracking in live cells with CRISPR/Cas9. Cell, 165(2): 488–496 pmid: 26997482
77 Noordermeer D, Leleu M, Splinter E, Rougemont J, De Laat W, Duboule D (2011). The dynamic architecture of Hox gene clusters. Science, 334(6053): 222–225 pmid: 21998387
78 Nora E P, Lajoie B R, Schulz E G, Giorgetti L, Okamoto I, Servant N, Piolot T, van Berkum N L, Meisig J, Sedat J, Gribnau J, Barillot E, Blüthgen N, Dekker J, Heard E (2012). Spatial partitioning of the regulatory landscape of the X-inactivation centre. Nature, 485(7398): 381–385 pmid: 22495304
79 O’Connell M R, Oakes B L, Sternberg S H, East-Seletsky A, Kaplan M, Doudna J A (2014). Programmable RNA recognition and cleavage by CRISPR/Cas9. Nature, 516(7530): 263–266 pmid: 25274302
80 Ochiai H, Sugawara T, Yamamoto T (2015). Simultaneous live imaging of the transcription and nuclear position of specific genes. Nucleic Acids Res, 43(19): e127 pmid: 26092696
81 Pederson T (2014). Repeated TALEs: visualizing DNA sequence localization and chromosome dynamics in live cells. Nucleus, 5(1): 28–31 pmid: 24637394
82 Pope B D, Ryba T, Dileep V, Yue F, Wu W, Denas O, Vera D L, Wang Y, Hansen R S, Canfield T K, Thurman R E, Cheng Y, Gülsoy G, Dennis J H, Snyder M P, Stamatoyannopoulos J A, Taylor J, Hardison R C, Kahveci T, Ren B, Gilbert D M (2014). Topologically associating domains are stable units of replication-timing regulation. Nature, 515(7527): 402–405 pmid: 25409831
83 Qin P, Parlak M, Kuscu C, Bandaria J, Mir M, Szlachta K, Singh R, Darzacq X, Yildiz A, Adli M (2017). Live cell imaging of low- and non-repetitive chromosome loci using CRISPR-Cas9. Nat Commun, 8: 14725 pmid: 28290446
84 Ran F A, Cong L, Yan W X, Scott D A, Gootenberg J S, Kriz A J, Zetsche B, Shalem O, Wu X, Makarova K S, Koonin E V, Sharp P A, Zhang F (2015). In vivo genome editing using Staphylococcus aureus Cas9. Nature, 520(7546): 186–191 pmid: 25830891
85 Reddy K L, Zullo J M, Bertolino E, Singh H (2008). Transcriptional repression mediated by repositioning of genes to the nuclear lamina. Nature, 452(7184): 243–247 pmid: 18272965
86 Ren R, Deng L, Xue Y, Suzuki K, Zhang W, Yu Y, Wu J, Sun L, Gong X, Luan H, Yang F, Ju Z, Ren X, Wang S, Tang H, Geng L, Zhang W, Li J, Qiao J, Xu T, Qu J, Liu G H (2017). Visualization of aging-associated chromatin alterations with an engineered TALE system. Cell Res, 27(4): 483–504 pmid: 28139645
87 Ricci M A, Manzo C, García-Parajo M F, Lakadamyali M, Cosma M P (2015). Chromatin fibers are formed by heterogeneous groups of nucleosomes in vivo. Cell, 160(6): 1145–1158 pmid: 25768910
88 Ried T, Schröck E, Ning Y, Wienberg J (1998). Chromosome painting: a useful art. Hum Mol Genet, 7(10): 1619–1626 pmid: 9735383
89 Robinett C C, Straight A, Li G, Willhelm C, Sudlow G, Murray A, Belmont A S (1996). In vivo localization of DNA sequences and visualization of large-scale chromatin organization using lac operator/repressor recognition. J Cell Biol, 135(6 Pt 2): 1685–1700 pmid: 8991083
90 Roukos V, Voss T C, Schmidt C K, Lee S, Wangsa D, Misteli T (2013). Spatial dynamics of chromosome translocations in living cells. Science, 341(6146): 660–664 pmid: 23929981
91 Saad H, Gallardo F, Dalvai M, Tanguy-le-Gac N, Lane D, Bystricky K (2014). DNA dynamics during early double-strand break processing revealed by non-intrusive imaging of living cells. PLoS Genet, 10(3): e1004187 pmid: 24625580
92 Salic A, Mitchison T J (2008). A chemical method for fast and sensitive detection of DNA synthesis in vivo. Proc Natl Acad Sci USA, 105(7): 2415–2420 pmid: 18272492
93 Schermelleh L, Carlton P M, Haase S, Shao L, Winoto L, Kner P, Burke B, Cardoso M C, Agard D A, Gustafsson M G, Leonhardt H, Sedat J W (2008). Subdiffraction multicolor imaging of the nuclear periphery with 3D structured illumination microscopy. Science, 320(5881): 1332–1336 pmid: 18535242
94 Segal D J, Dreier B, Beerli R R, Barbas C F 3rd (1999). Toward controlling gene expression at will: selection and design of zinc finger domains recognizing each of the 5′-GNN-3′ DNA target sequences. Proc Natl Acad Sci USA, 96(6): 2758–2763 pmid: 10077584
95 Shachar S, Voss T C, Pegoraro G, Sciascia N, Misteli T (2015). Identification of Gene Positioning Factors Using High-Throughput Imaging Mapping. Cell, 162(4): 911–923 pmid: 26276637
96 Shalem O, Sanjana N E, Zhang F (2015). High-throughput functional genomics using CRISPR-Cas9. Nat Rev Genet, 16(5): 299–311 pmid: 25854182
97 Shao S, et al. (2017). Multiplexed sgRNA Expression Allows Versatile Single Non-repetitive DNA Labeling and Endogenous Gene Regulation. bioRxiv
98 Shao S, Zhang W, Hu H, Xue B, Qin J, Sun C, Sun Y, Wei W, Sun Y (2016). Long-term dual-color tracking of genomic loci by modified sgRNAs of the CRISPR/Cas9 system. Nucleic Acids Res, 44(9):  e86 pmid: 26850639
99 Shechner D M, Hacisuleyman E, Younger S T, Rinn J L (2015). Multiplexable, locus-specific targeting of long RNAs with CRISPR-Display. Nat Methods, 12(7): 664–670 pmid: 26030444
100 Simonis M, Klous P, Splinter E, Moshkin Y, Willemsen R, de Wit E, van Steensel B, de Laat W (2006). Nuclear organization of active and inactive chromatin domains uncovered by chromosome conformation capture-on-chip (4C). Nat Genet, 38(11): 1348–1354 pmid: 17033623
101 Smeets D, Markaki Y, Schmid V J, Kraus F, Tattermusch A, Cerase A, Sterr M, Fiedler S, Demmerle J, Popken J, Leonhardt H, Brockdorff N, Cremer T, Schermelleh L, Cremer M (2014). Three-dimensional super-resolution microscopy of the inactive X chromosome territory reveals a collapse of its active nuclear compartment harboring distinct Xist RNA foci. Epigenetics Chromatin, 7(1): 8 pmid: 25057298
102 Solovei I, Cremer M (2010). 3D-FISH on cultured cells combined with immunostaining. Methods Mol Biol, 659: 117–126 pmid: 20809307
103 Soutoglou E, Dorn J F, Sengupta K, Jasin M, Nussenzweig A, Ried T, Danuser G, Misteli T (2007). Positional stability of single double-strand breaks in mammalian cells. Nat Cell Biol, 9(6): 675–682 pmid: 17486118
104 Strack R L, Disney M D, Jaffrey S R (2013). A superfolding Spinach2 reveals the dynamic nature of trinucleotide repeat-containing RNA. Nat Methods, 10(12): 1219–1224 pmid: 24162923
105 Tagarro I, Fernández-Peralta A M, González-Aguilera J J (1994). Chromosomal localization of human satellites 2 and 3 by a FISH method using oligonucleotides as probes. Hum Genet, 93(4): 383–388 pmid: 8168808
106 Takei Y, Shah S, Harvey S, Qi L S, Cai L  (2017). Multiplexed dynamic imaging of genomic loci in single cells by combined CRISPR imaging and DNA sequential FISH. Biophy J, 112(9): 1773–1776
107 Tanenbaum M E, Gilbert L A, Qi L S, Weissman J S, Vale R D (2014). A protein-tagging system for signal amplification in gene expression and fluorescence imaging. Cell, 159(3): 635–646 pmid: 25307933
108 Tang Z, Luo O J, Li X, Zheng M, Zhu J J, Szalaj P, Trzaskoma P, Magalska A, Wlodarczyk J, Ruszczycki B, Michalski P, Piecuch E, Wang P, Wang D, Tian S Z, Penrad-Mobayed M, Sachs L M, Ruan X, Wei C L, Liu E T, Wilczynski G M, Plewczynski D, Li G, Ruan Y (2015). CTCF-Mediated Human 3D Genome Architecture Reveals Chromatin Topology for Transcription. Cell, 163(7): 1611–1627 pmid: 26686651
109 Thanisch K, Schneider K, Morbitzer R, Solovei I, Lahaye T, Bultmann S, Leonhardt H (2014). Targeting and tracing of specific DNA sequences with dTALEs in living cells. Nucleic Acids Res, 42(6): e38 pmid: 24371265
110 Therizols P, Illingworth R S, Courilleau C, Boyle S, Wood A J, Bickmore W A (2014). Chromatin decondensation is sufficient to alter nuclear organization in embryonic stem cells. Science, 346(6214): 1238–1242 pmid: 25477464
111 Tsukamoto T, Hashiguchi N, Janicki S M, Tumbar T, Belmont A S, Spector D L (2000). Visualization of gene activity in living cells. Nat Cell Biol, 2(12): 871–878 pmid: 11146650
112 Verdaasdonk J S, Vasquez P A, Barry R M, Barry T, Goodwin S, Forest M G, Bloom K (2013). Centromere tethering confines chromosome domains. Mol Cell, 52(6): 819–831 pmid: 24268574
113 Viollier P H, Thanbichler M, McGrath P T, West L, Meewan M, McAdams H H, Shapiro L (2004). Rapid and sequential movement of individual chromosomal loci to specific subcellular locations during bacterial DNA replication. Proc Natl Acad Sci USA, 101(25): 9257–9262 pmid: 15178755
114 Vogel M J, Peric-Hupkes D, van Steensel B (2007). Detection of in vivo protein-DNA interactions using DamID in mammalian cells. Nat Protoc, 2(6): 1467–1478 pmid: 17545983
115 Wäldchen S, Lehmann J, Klein T, van de Linde S, Sauer M (2015). Light-induced cell damage in live-cell super-resolution microscopy. Sci Rep, 5: 15348 pmid: 26481189
116 Waldman F M, Chew K, Ljung B M, Goodson W, Hom J, Duarte L A, Smith H S, Mayall B (1991). A comparison between bromodeoxyuridine and 3H thymidine labeling in human breast tumors. Mod Pathol, 4(6): 718–722
pmid: 1724086
117 Wan H, Feng C, Teng F, Yang S, Hu B, Niu Y, Xiang A P, Fang W, Ji W, Li W, Zhao X, Zhou Q (2015). One-step generation of p53 gene biallelic mutant Cynomolgus monkey via the CRISPR/Cas system. Cell Res, 25(2): 258–261 pmid: 25430965
118 Wang S, Su J H, Beliveau B J, Bintu B, Moffitt J R, Wu C T, Zhuang X (2016). Spatial organization of chromatin domains and compartments in single chromosomes. Science, 353(6299): 598–602 pmid: 27445307
119 Wang W, Li G W, Chen C, Xie X S, Zhuang X (2011). Chromosome organization by a nucleoid-associated protein in live bacteria. Science, 333(6048): 1445–1449 pmid: 21903814
120 Wijchers P J, Krijger P H, Geeven G, Zhu Y, Denker A, Verstegen M J, Valdes-Quezada C, Vermeulen C, Janssen M, Teunissen H, Anink-Groenen L C, Verschure P J, de Laat W (2016). Cause and Consequence of Tethering a SubTAD to Different Nuclear Compartments. Mol Cell, 61(3): 461–473 pmid: 26833089
121 Wu Y, Zhou H, Fan X, Zhang Y, Zhang M, Wang Y, Xie Z, Bai M, Yin Q, Liang D, Tang W, Liao J, Zhou C, Liu W, Zhu P, Guo H, Pan H, Wu C, Shi H, Wu L, Tang F, Li J (2015). Correction of a genetic disease by CRISPR-Cas9-mediated gene editing in mouse spermatogonial stem cells. Cell Res, 25(1): 67–79 pmid: 25475058
122 Zalatan J G, Lee M E, Almeida R, Gilbert L A, Whitehead E H, La Russa M, Tsai J C, Weissman J S, Dueber J E, Qi L S, Lim W A (2015). Engineering complex synthetic transcriptional programs with CRISPR RNA scaffolds. Cell, 160(1-2): 339–350 pmid: 25533786
123 Zhou Y, Wang P, Tian F, Gao G, Huang L, Wei W, Xie X S (2017). Painting a specific chromosome with CRISPR/Cas9 for live-cell imaging. Cell Res, 27(2): 298–301 pmid: 28084328
124 Zuleger N, Boyle S, Kelly D A, de las Heras J I, Lazou V, Korfali N, Batrakou D G, Randles K N, Morris G E, Harrison D J, Bickmore W A, Schirmer E C (2013). Specific nuclear envelope transmembrane proteins can promote the location of chromosomes to and from the nuclear periphery. Genome Biol, 14(2): R14 pmid: 23414781
Related articles from Frontiers Journals
[1] Bipasha MUKHERJEE-CLAVIN, Mark TOMISHIMA, Gabsang LEE. Current approaches for efficient genetic editing in human pluripotent stem cells[J]. Front Biol, 2013, 8(5): 461-467.
[2] Wenping GONG, Ling RAN, Guangrong LI, Jianping ZHOU, Cheng LIU, Zujun YANG. Development and utilization of new sequenced characterized amplified region markers specific for E genome of Thinopyrum[J]. Front Biol, 2013, 8(4): 451-459.
[3] Yun-Bo GUO, Ya WEN, Wen-Xue GAO, Jing-Chao LI, Peng ZHOU, Zai-Ling BAI, Bo ZHANG, Shi-Qiang WANG, . The formation of Ca 2+ gradients at the cleavage furrows during cytokinesis of Zebrafish embryos[J]. Front. Biol., 2010, 5(4): 369-377.
[4] Juqing JIA, Guangrong LI, Cheng LIU, Jianping ZHOU, Zujun YANG, . New PCR based markers allowed to identify Secale chromatin in wheat- Secale africanum introgression lines[J]. Front. Biol., 2010, 5(2): 187-192.
[5] Jianshe ZHANG, Wuying CHU, Guihong FU. DNA microarray technology and its application in fish biology and aquaculture[J]. Front Biol Chin, 2009, 4(3): 305-313.
[6] TAO Yongsheng, ZHANG Zuxin, CHEN Yonglin, LI Lijia, ZHENG Yonglian. Technological exploration of BAC-FISH on mitotic chromosomes of maize[J]. Front. Biol., 2008, 3(4): 414-418.
[7] LIU Kai, WANG Yan, TAN Hongwei, CHEN Guangju, TONG Zhenhe. Computational simulations on the fish-type-II antifreeze protein-ice-solvent system[J]. Front. Biol., 2007, 2(2): 180-183.
[8] LIU Bo, CHEN Chengbin, LI Xiulan, QI Liwang, HAN Suying. Karyotype analysis and physical mapping of 45S rDNA in eight species of Sophora, Robinia, and Amorpha[J]. Front. Biol., 2006, 1(3): 290-294.
Full text