Eukaryotic genomes are folded into loops and topologically associating domains, which contribute to chromatin structure, gene regulation, and gene recombination. These structures depend on cohesin, a ring-shaped DNA-entrapping adenosine triphosphatase (ATPase) complex that has been proposed to form loops by extrusion. Such an activity has been observed for condensin, which forms loops in mitosis, but not for cohesin. Using biochemical reconstitution, we found that single human cohesin complexes form DNA loops symmetrically at rates up to 2.1 kilo-base pairs per second. Loop formation and maintenance depend on cohesin's ATPase activity and on NIPBL-MAU2, but not on topological entrapment of DNA by cohesin. During loop formation, cohesin and NIPBL-MAU2 reside at the base of loops, which indicates that they generate loops by extrusion. Our results show that cohesin and NIPBL-MAU2 form an active holoenzyme that interacts with DNA either pseudo-topologically or non-topologically to extrude genomic interphase DNA into loops.

Abstract The ring-shaped structural-maintenance-of-chromosomes (SMC) complexes condensin and cohesin extrude loops of DNA as a key motif in chromosome organization. It remains, how ever, unclear how these SMC motor proteins can extrude DNA loops in chromatin that is bound with proteins. Here, using in vitro single-molecule visualization, we show that nucleosomes, RNA polymerase, and dCas9 pose virtually no barrier to DNA loop extrusion by yeast condensin. Strikingly, we find that even DNA-bound nanoparticles as large as 200 nm, much bigger than the SMC ring size, can be translocated into DNA loops during condensin-driven extrusion. Similarly, human cohesin can pass 200 nm particles during loop extrusion, which even occurs for a single-chain version of cohesin in which the ring-forming subunits are covalently linked and cannot open up to entrap DNA. These findings disqualify all common loop-extrusion models where DNA passes through the SMC rings (pseudo)topologically, and instead point to a nontopological mechanism for DNA loop extrusion. One-sentence summary Huge DNA-bound roadblocks can be incorporated into SMC-extruded DNA loops, pointing to a nontopological mechanism for loop extrusion.

Abstract Eukaryotic genomes are compacted into loops and topologically associating domains (TADs), which contribute to transcription, recombination and genomic stability. Cohesin extrudes DNA into loops that are thought to lengthen until CTCF boundaries are encountered. Little is known about whether loop extrusion is impeded by DNA-bound macromolecular machines. We demonstrate that the replicative helicase MCM is a barrier that restricts loop extrusion in G1 phase. Single-nucleus Hi-C of one-cell embryos revealed that MCM loading reduces CTCF-anchored loops and decreases TAD boundary insulation, suggesting loop extrusion is impeded before reaching CTCF. Single-molecule imaging shows that MCMs are physical barriers that frequently constrain cohesin translocation in vitro. Simulations are consistent with MCMs as abundant, random barriers. We conclude that distinct loop extrusion barriers contribute to shaping 3D genomes. One Sentence Summary MCM complexes are obstacles that impede the formation of CTCF-anchored loops.

Abstract In eukaryotes, genomic DNA is extruded into loops by cohesin 1 . By restraining this process, the DNA-binding protein CTCF generates topologically associating domains (TADs) 2-4 that play key roles in gene regulation and recombination during development and disease 1,5-8 . How CTCF establishes TAD boundaries and to what extent these are permeable to cohesin is unknown 9 . To address these questions, we visualize interactions of single CTCF and cohesin molecules on DNA in vitro. We show that CTCF is sufficient to block diffusing cohesin, possibly reflecting how cohesive cohesin accumulates at TAD boundaries, as well as to block loop-extruding cohesin, reflecting how CTCF establishes TAD boundaries. CTCF functions asymmetrically, as predicted, but unexpectedly is dependent on DNA tension. Moreover, CTCF regulates cohesin’s loop extrusion activity by changing its direction and by inducing loop shrinkage. Our data indicate that CTCF is not, as previously assumed, simply a barrier to cohesin-mediated loop extrusion but is an active regulator of this process, where the permeability of TAD boundaries can be modulated by DNA tension. These results reveal mechanistic principles of how CTCF controls loop extrusion and genome architecture.

Summary Cohesin connects CTCF binding sites and other genomic loci in cis to form chromatin loops, and replicated DNA molecules in trans to mediate sister chromatid cohesion. Whether cohesin uses distinct or related mechanisms to perform these functions is unknown. Here we describe a cohesin hinge mutant, which can extrude DNA into loops but is unable to mediate cohesion. Our results suggest that the latter defect arises during cohesion establishment. The observation that cohesin’s cohesion and loop extrusion activities can be separated indicates that cohesin uses distinct mechanisms to perform these two functions. Unexpectedly, the same hinge mutant can also not be stopped by CTCF boundaries as well as wildtype cohesin. This suggests that cohesion establishment and cohesin’s interaction with CTCF boundaries depend on related mechanisms and raises the possibility that both require transient hinge opening to entrap DNA inside the cohesin ring.

Abstract Cohesin extrudes genomic DNA into loops that promote chromatin assembly, gene regulation and recombination. Here we show that cohesin introduces negative supercoils into extruded DNA. Supercoiling requires engagement of cohesin’s ATPase heads, DNA clamping by these heads, and a DNA binding site on cohesin’s hinge, indicating that cohesin supercoils DNA when constraining it between the hinge and the clamp. Our results suggest that DNA extrusion stops once cohesin reaches its stall torque during supercoiling, and a cohesin mutant predicted to stall at lower torque forms shorter loops in cells. These results indicate that supercoiling is an integral part of the loop extrusion mechanism and that cohesin controls genome architecture not only by looping DNA but also by supercoiling it.

ABSTRACT Eukaryotes carry three types of Structural Maintenance of Chromosomes (SMC) protein complexes, condensin, cohesin, and SMC5/6, which are ATP-dependent motor proteins that remodel the genome via DNA loop extrusion. SMCs modulate DNA supercoiling, but it has remained incompletely understood how this is achieved. Here we present a single-molecule magnetic tweezers assay that directly measures how much twist is induced by an individual SMC in each loop-extrusion step. We demonstrate that all three SMC complexes induce the same large negative twist (i.e., a linking number change Δ L k of -0.6 at each loop-extrusion step) into the extruded loop, independent of step size. Using ATP-hydrolysis mutants and non-hydrolysable ATP analogues, we find that ATP binding is the twist-inducing event during the ATPase cycle, which coincides with the force-generating loop-extrusion step. The fact that all three eukaryotic SMC proteins induce the same amount of twist indicates a common DNA-loop-extrusion mechanism among these SMC complexes.

SUMMARY DNA loop extrusion by structural-maintenance-of-chromosome (SMC) complexes has emerged as a primary organizing principle for chromosomes. The mechanism by which SMC motor proteins extrude DNA loops is still unresolved and much debated. The ring-like structure of SMC complexes prompted multiple models where the extruded DNA is topologically or pseudotopologically entrapped within the ring during loop extrusion. However, recent experiments showed the passage of roadblocks much bigger than the SMC ring size, suggesting a nontopological mechanism. Recently, attempts were made to reconcile the observed passage of large roadblocks with a pseudotopological mechanism. Here we examine the predictions of these pseudotopological models, and find that they are not consistent with some experimental data on SMC roadblock encounters. Particularly, these models predict the formation of two loops and that roadblocks will reside near the stem of the loop upon encounter – both in contrast to experimental observations. Overall, the experimental data reinforce the notion of a nontopological mechanism for extrusion of DNA.

Summary Structural Maintenance of Chromosomes (SMC) complexes organize the genome via DNA loop extrusion. While some SMCs were reported to do so symmetrically, reeling DNA from both sides into the extruded DNA loop simultaneously, others perform loop extrusion asymmetrically toward one direction only. The mechanism underlying this variability remains unclear. Here, we examine the directionality of DNA loop extrusion by SMCs using in vitro single-molecule experiments. We find that cohesin and SMC5/6 do not reel in DNA from both sides, as reported before, but instead extrude DNA asymmetrically, while the direction can switch over time. Asymmetric DNA loop extrusion thus is the shared mechanism across all eukaryotic SMC complexes. For cohesin, direction switches strongly correlate with the turnover of the subunit NIPBL, during which DNA strand switching may occur. STAG1 stabilizes NIPBL on cohesin, preventing NIPBL turnover and direction switches. The findings reveal that SMCs, surprisingly, contain a direction switch subunit. Highlights All eukaryotic SMC complexes extrude DNA asymmetrically. Apparent ‘symmetric’ loop extrusion is the result of frequent direction switches. n human cohesin, loop-extrusion direction changes require exchange of NIPBL. STAG1 stabilizes NIPBL on human cohesin.

Abstract The organisation of mammalian genomes into loops and topologically associating domains (TADs) contributes to chromatin structure, gene expression and recombination. Loops and TADs are formed by cohesin and positioned by CTCF. In proliferating cells, cohesin also mediates sister chromatid cohesion, which is essential for chromosome segregation. Current models of chromatin folding and cohesion are based on assumptions of how many cohesin and CTCF molecules organise the genome. Here we have measured absolute copy numbers and dynamics of cohesin, CTCF, NIPBL, WAPL and sororin by mass spectrometry, fluorescence-correlation spectroscopy and fluorescence recovery after photobleaching in HeLa cells. In G1-phase there are ~245,000 cohesin complexes, of which ~139,000 are on chromatin. Comparison with chromatin immunoprecipitation-sequencing data implies that some genomic cohesin and CTCF enrichment sites are unoccupied in single cells at any one time. We discuss the implications of these findings for how cohesin can contribute to genome organisation and cohesion.