The RNA-guided CRISPR-associated protein Cas9 is used for genome editing, transcriptional modulation, and live-cell imaging. Cas9-guide RNA complexes recognize and cleave double-stranded DNA sequences on the basis of 20-nucleotide RNA-DNA complementarity, but the mechanism of target searching in mammalian cells is unknown. Here, we use single-particle tracking to visualize diffusion and chromatin binding of Cas9 in living cells. We show that three-dimensional diffusion dominates Cas9 searching in vivo, and off-target binding events are, on average, short-lived (<1 second). Searching is dependent on the local chromatin environment, with less sampling and slower movement within heterochromatin. These results reveal how the bacterial Cas9 protein interrogates mammalian genomes and navigates eukaryotic chromatin structure.

During mitosis, transcription is shut off, chromatin condenses, and most transcription factors (TFs) are reported to be excluded from chromosomes. How do daughter cells re-establish the original transcription program? Recent discoveries that a select set of TFs remain bound on mitotic chromosomes suggest a potential mechanism for maintaining transcriptional programs through the cell cycle termed mitotic bookmarking. Here we report instead that many TFs remain associated with chromosomes in mouse embryonic stem cells, and that the exclusion previously described is largely a fixation artifact. In particular, most TFs we tested are significantly enriched on mitotic chromosomes. Studies with Sox2 reveal that this mitotic interaction is more dynamic than in interphase and is facilitated by both DNA binding and nuclear import. Furthermore, this dynamic mode results from lack of transcriptional activation rather than decreased accessibility of underlying DNA sequences in mitosis. The nature of the cross-linking artifact prompts careful re-examination of the role of TFs in mitotic bookmarking.

The foundational principles of Darwinian evolution are variation, selection, and identity by descent. Oncogene amplification on extrachromosomal DNA (ecDNA) is a common event, driving aggressive tumour growth, drug resistance, and shorter survival in patients 1-4 . Currently, the impact of non-chromosomal oncogene inheritance—random identity by descent—is not well understood. Neither is the impact of ecDNA on variation and selection. Here, integrating mathematical modeling, unbiased image analysis, CRISPR-based ecDNA tagging, and live-cell imaging, we identify a set of basic “rules” for how random ecDNA inheritance drives oncogene copy number and distribution, resulting in extensive intratumoural ecDNA copy number heterogeneity and rapid adaptation to metabolic stress and targeted cancer treatment. Observed ecDNAs obligatorily benefit host cell survival or growth and can change within a single cell cycle. In studies ranging from well-curated, patient-derived cancer cell cultures to clinical tumour samples from patients with glioblastoma and neuroblastoma treated with oncogene-targeted drugs, we show how these ecDNA inheritance “rules” can predict, a priori , some of the aggressive features of ecDNA-containing cancers. These properties are entailed by their ability to rapidly change their genomes in a way that is not possible for cancers driven by chromosomal oncogene amplification. These results shed new light on how the non-chromosomal random inheritance pattern of ecDNA underlies poor outcomes for cancer patients.

ABSTRACT Fluorescence microscopy relies on dyes that absorb short-wavelength photons and emit longer-wavelength light. In addition to this fluorescence process, dyes can undergo other photochemical reactions that result in spectral shifts and irreversible photobleaching. Increases in brightness, ‘chromostability’, and photostability of fluorescent dyes are therefore crucial for advancing the frontier of bioimaging. Here, we describe a general approach to improve small-molecule fluorophores using deuteration. Incorporating deuterium into the alkylamino substituents of rhodamines and other dyes improves fluorescence quantum yield, inhibits photochemically induced spectral shifts, and slows irreparable photobleaching. These compounds are easily synthesized and show improved performance in cellular imaging experiments.

During mitosis, transcription is shut off, chromatin condenses, and most transcription factors (TFs) are reported to be excluded from chromosomes. How do daughter cells re-establish the original transcription program? Recent discoveries that a select set of TFs remain bound on mitotic chromosomes suggest a potential mechanism for maintaining transcriptional programs through the cell cycle termed mitotic bookmarking. Here we report instead that many TFs remain associated with chromosomes, and that the exclusion previously described is largely a fixation artifact. In particular, most TFs we tested are significantly enriched on mitotic chromosomes. Studies with Sox2 reveal that this mitotic interaction is more dynamic than in interphase and requires both DNA binding and nuclear import. Furthermore, this dynamic mode results from lack of transcriptional activation rather than decreased accessibility of underlying DNA sequences in mitosis. The nature of the cross-linking artifact prompts careful re-examination of the role of TFs in mitotic bookmarking.

Access to cis-regulatory elements packaged in chromatin is essential for directing gene expression and cell viability. Here, we report a super-resolution imaging strategy, 3D ATAC-PALM, that enables direct visualization of the entire accessible genome. We found that active chromosomal segments are organized into spatially-segregated accessible chromatin domains (ACDs). Rapid depletion of CTCF or Cohesin (RAD21 subunit) induced enhanced ACD clustering, reduced physical separation between intrachromosomal ACDs, and differentially regulated ACD compaction. Experimental perturbations and polymer modeling suggest that dynamic protein-protein and protein-DNA interactions within ACDs couple with loop extrusion to organize ACD topology. Dysorganization of ACDs upon CTCF or Cohesin loss alters transcription factor binding and target search dynamics in living cells. These results uncover fundamental mechanisms underpinning the formation of 3D genome architecture and its pivotal function in transcriptional regulation.

jinkui Shenqi Pill (JSP) is a classic traditional Chinese medicine used to treat "Kidney Yang Deficiency" disease. Previous studies indicate a protective effect of JSP on apoptosis in mouse neurons.

Abstract The contrast between the disruption of genome topology after cohesin loss and the lack of downstream gene expression changes instigates intense debates regarding the structure–function relationship between genome and gene regulation. Here, by analyzing transcriptome and chromatin accessibility at the single-cell level, we discover that, instead of dictating population-wide gene expression levels, cohesin supplies a general function to neutralize stochastic coexpression tendencies of cis -linked genes in single cells. Notably, cohesin loss induces widespread gene coactivation and chromatin co-opening tens of million bases apart in cis . Spatial genome and protein imaging reveals that cohesin prevents gene co-bursting along the chromosome and blocks spatial mixing of transcriptional hubs. Single-molecule imaging shows that cohesin confines the exploration of diverse enhancer and core promoter binding transcriptional regulators. Together, these results support that cohesin arranges nuclear topology to control gene coexpression in single cells.

Spontaneously blinking fluorophores permit the detection and localization of individual molecules without reducing buffers or caging groups, thus simplifying single-molecule localization microscopy (SMLM). The intrinsic blinking properties of such dyes are dictated by molecular structure and modulated by environment, which can limit utility. We report a series of tuned spontaneously blinking dyes with duty cycles that span two orders of magnitude, allowing facile SMLM in cells and dense biomolecular structures.

ABSTRACT Extrachromosomal DNAs (ecDNAs) are prevalent in human cancers and mediate high oncogene expression through elevated copy number and altered gene regulation 1 . Gene expression typically involves distal enhancer DNA elements that contact and activate genes on the same chromosome 2,3 . Here we show that ecDNA hubs, comprised of ~10-100 ecDNAs clustered in the nucleus of interphase cells, drive intermolecular enhancer input for amplified oncogene expression. Single-molecule sequencing, single-cell multiome, and 3D enhancer connectome reveal subspecies of MYC-PVT1 ecDNAs lacking enhancers that access intermolecular and ectopic enhancer-promoter interactions in ecDNA hubs. ecDNA hubs persist without transcription and are tethered by BET protein BRD4. BET inhibitor JQ1 disperses ecDNA hubs, preferentially inhibits ecDNA oncogene transcription, and kills ecDNA+ cancer cells. Two amplified oncogenes MYC and FGFR2 intermix in ecDNA hubs, engage in intermolecular enhancer-promoter interactions, and transcription is uniformly sensitive to JQ1. Thus, ecDNA hubs are nuclear bodies of many ecDNAs tethered by proteins and platforms for cooperative transcription, leveraging the power of oncogene diversification and combinatorial DNA interactions. We suggest ecDNA hubs, rather than individual ecDNAs, as units of oncogene function, cooperative evolution, and new targets for cancer therapy.