The human genome is characterized by an extent of functions that act further than its genetic role. Indeed, the genome can also affect cellular processes by nongenetic means through its physical and structural properties, specifically by exerting mechanical forces that shape nuclear morphology and architecture. The balancing between two chromatin compartments with antagonist functions, namely Transcriptional and Polycomb condensates, is required for preserving nuclear mechanical properties and its perturbation is causative of the pathogenic condition Kabuki syndrome (KS) (Fasciani et al., 2020). KS is a rare monogenic disease caused by the haploinsufficiency in the KMT2D gene encoding for MLL4, a H3K4-specific methyltransferase important for the regulation of gene expression. By interrogating the effect of KMT2D haploinsufficiency in Mesenchymal Stem Cells (MSCs) we discovered that MLL4 loss of function (LoF) impaired Polycomb-dependent chromatin compartmentalization, altering the nuclear architecture and the cell mechanoresponsiveness during differentiation (Fasciani et al., 2020). These results suggest that altered nuclear mechanics rely on chromatin architecture and could potentially lead to changes in cell responses to external mechanical stimuli. For this reason, we investigated the role of Transcriptional and Polycomb condensates in tuning nuclear responses to different external mechano-physical conditions. To affect nuclear mechanics, we employed the use of several mechanical devices (e. g. substrate stiffness, microchannels with constrictions, and cell confinement). We found that Polycomb and Transcriptional condensates are modulated by changes in substrate rigidity in healthy conditions and that MLL4 LoF impairs the MSCs nuclear condensates-driven mechanical response. Furthermore, we observed that MLL4 LoF impacts nuclear adaptation to confined spaces by incrementing susceptibility to nuclear envelope rupture and cell death. Altogether these findings suggest that MLL4 LoF impairs cell responses to external mechanical stimuli, shedding light on the pathological connection between the altered cell mechanoresponsiveness during differentiation and KS phenotype in terms of skeletal and cartilage anomalies.
Ruolo dei compartimenti cromatinici nella risposta nucleare a stimoli meccanici nella sindrome di Kabuki.
Il genoma umano è caratterizzato da un'estensione di funzioni che agiscono oltre il suo ruolo genetico. Il genoma può difatti anche influenzare i processi cellulari con mezzi non genetici attraverso le sue proprietà fisiche e strutturali, in particolare esercitando forze meccaniche che modellano la morfologia e l'architettura nucleare. Il bilanciamento tra due compartimenti della cromatina con funzioni antagoniste, denominati condensati trascrizionali e di Polycomb, è necessario per preservare le proprietà meccaniche nucleari e la sua perturbazione è causale della sindrome di Kabuki (SK) (Fasciani et al., 2020). La SK è una rara malattia monogenica causata dall'aploinsufficienza del gene KMT2D che codifica per MLL4, una metiltransferasi specifica per H3K4 importante per la regolazione dell'espressione genica. Interrogando l'effetto dell'aploinsufficienza di KMT2D nelle cellule staminali mesenchimali (MSC), abbiamo scoperto che la perdita di funzione (LoF) di MLL4 compromette la compartimentazione della cromatina mediata da Polycomb, alterando l'architettura nucleare e la meccanoresponsività cellulare durante il differenziamento (Fasciani et al., 2020). Questi risultati suggeriscono che la meccanica nucleare dipende dall'architettura della cromatina e potrebbe potenzialmente portare a cambiamenti nelle risposte cellulari a stimoli meccanici esterni. Per questo motivo, abbiamo studiato il ruolo dei condensati trascrizionali e di Polycomb nella risposta nucleare a diverse condizioni meccano-fisiche esterne. Per influenzare la meccanica nucleare, abbiamo impiegato l'uso di diversi dispositivi meccanici (ad esempio diverse rigidità del substrato, microcanali con restrzioni e confinamento cellulare). Così facendo, abbiamo ossrvato che i condensati di Polycomb e trascrizionali sono modulati dai cambiamenti nella rigidità del substrato in condizioni sane e che MLL4 LoF compromette la risposta meccanica guidata dai condensati nucleari delle MSC. Inoltre, abbiamo osservato che MLL4 LoF influisce sull'adattamento nucleare a spazi ristretti aumentando la suscettibilità di queste celulle alla rottura dell'involucro nucleare e alla morte cellulare. Complessivamente questi risultati suggeriscono che MLL4 LoF compromette le risposte cellulari agli stimoli meccanici esterni, facendo luce sulla connessione patologica tra la meccanoresponsività cellulare alterata durante la differenziazione e il fenotipo KS in termini di anomalie scheletriche e cartilaginee.
Bustin, M., Misteli, T., Science 2016;
Fasciani, A., D'Annunzio, S., Poli, V. et al., Nat Genet 2020;
Dario Cocciadiferro et al., Human Molecular Genetics 2018.