Phase separation and gene control Many components of eukaryotic transcription machinery—such as transcription factors and cofactors including BRD4, subunits of the Mediator complex, and RNA polymerase II—contain intrinsically disordered low-complexity domains. Now a conceptual framework connecting the nature and behavior of their interactions to their functions in transcription regulation is emerging (see the Perspective by Plys and Kingston). Chong et al. found that low-complexity domains of transcription factors form concentrated hubs via functionally relevant dynamic, multivalent, and sequence-specific protein-protein interaction. These hubs have the potential to phase-separate at higher concentrations. Indeed, Sabari et al. showed that at super-enhancers, BRD4 and Mediator form liquid-like condensates that compartmentalize and concentrate the transcription apparatus to maintain expression of key cell-identity genes. Cho et al. further revealed the differential sensitivity of Mediator and RNA polymerase II condensates to selective transcription inhibitors and how their dynamic interactions might initiate transcription elongation. Science , this issue p. eaar2555 , p. eaar3958 , p. 412 ; see also p. 329

Hyperphosphorylation of the C-terminal domain (CTD) of the RPB1 subunit of human RNA polymerase (Pol) II is essential for transcriptional elongation and mRNA processing1-3. The CTD contains 52 heptapeptide repeats of the consensus sequence YSPTSPS. The highly repetitive nature and abundant possible phosphorylation sites of the CTD exert special constraints on the kinases that catalyse its hyperphosphorylation. Positive transcription elongation factor b (P-TEFb)-which consists of CDK9 and cyclin T1-is known to hyperphosphorylate the CTD and negative elongation factors to stimulate Pol II elongation1,4,5. The sequence determinant on P-TEFb that facilitates this action is currently unknown. Here we identify a histidine-rich domain in cyclin T1 that promotes the hyperphosphorylation of the CTD and stimulation of transcription by CDK9. The histidine-rich domain markedly enhances the binding of P-TEFb to the CTD and functional engagement with target genes in cells. In addition to cyclin T1, at least one other kinase-DYRK1A 6 -also uses a histidine-rich domain to target and hyperphosphorylate the CTD. As a low-complexity domain, the histidine-rich domain also promotes the formation of phase-separated liquid droplets in vitro, and the localization of P-TEFb to nuclear speckles that display dynamic liquid properties and are sensitive to the disruption of weak hydrophobic interactions. The CTD-which in isolation does not phase separate, despite being a low-complexity domain-is trapped within the cyclin T1 droplets, and this process is enhanced upon pre-phosphorylation by CDK7 of transcription initiation factor TFIIH1-3. By using multivalent interactions to create a phase-separated functional compartment, the histidine-rich domain in kinases targets the CTD into this environment to ensure hyperphosphorylation and efficient elongation of Pol II.

RNA Polymerase II (Pol II) and transcription factors form concentrated hubs in cells via multivalent protein-protein interactions, often mediated by proteins with intrinsically disordered regions. During Herpes Simplex Virus infection, viral replication compartments (RCs) efficiently enrich host Pol II into membraneless domains, reminiscent of liquid-liquid phase separation. Despite sharing several properties with phase-separated condensates, we show that RCs operate via a distinct mechanism wherein unrestricted nonspecific protein-DNA interactions efficiently outcompete host chromatin, profoundly influencing the way DNA-binding proteins explore RCs. We find that the viral genome remains largely nucleosome-free, and this increase in accessibility allows Pol II and other DNA-binding proteins to repeatedly visit nearby DNA binding sites. This anisotropic behavior creates local accumulations of protein factors despite their unrestricted diffusion across RC boundaries. Our results reveal underappreciated consequences of nonspecific DNA binding in shaping gene activity, and suggest additional roles for chromatin in modulating nuclear function and organization.

Abstract Sub-nuclear compartmentalization has been proposed to play an important role in gene regulation by segregating active and inactive parts of the genome in distinct physical and biochemical environments, where transcription and epigenetic factors are either concentrated or depleted. The inactive X chromosome offers a paradigm for studying sub-nuclear compartmentalization. When the non-coding Xist RNA coats the X chromosome, it recruits repressors and chromatin factors that trigger gene silencing, and forms a dense body of heterochromatin from which the transcription machinery appears to be excluded. Phase separation has been proposed to be involved in X-chromosome inactivation (XCI) and might explain exclusion of the transcription machinery by preventing its diffusion into the Xist -coated territory. Here, using quantitative fluorescence microscopy and single particle tracking, we show that RNA polymerase II (RNAPII) freely accesses the Xist territory during initiation of XCI, and that its diffusion is not prevented by biophysical constraints. Instead, the apparent depletion of RNAPII is due to the loss of its chromatin bound fraction. These findings demonstrate that initial exclusion of RNA Pol2 from the inactive X is a consequence of its reduced binding rate at the chromatin and gene level, rather than the biophysical compartmentalization of the inactive X heterochromatin domain. The Xist silent compartment is thus a biochemical rather than a biophysical compartment, at least during initiation of XCI.

Abstract Single particle tracking (SPT) directly measures the dynamics of proteins in living cells and is a powerful tool to dissect molecular mechanisms of cellular regulation. Interpretation of SPT with fast-diffusing proteins in mammalian cells, however, is complicated by technical limitations imposed by fast image acquisition. These limitations include short trajectory length due to photobleaching and shallow depth of field, high localization error due to the low photon budget imposed by short integration times, and cell-to-cell variability. To address these issues, we developed methods to infer distributions of diffusion coefficients from SPT data with short trajectories, variable localization accuracy, and absence of prior knowledge about the number of underlying states. We discuss advantages and disadvantages of these approaches relative to other frameworks for SPT analysis. Significance statement Single particle tracking (SPT) uses fluorescent probes to track the motions of individual molecules inside living cells, providing biologists with a close view of the cell’s inner machinery at work. Commonly used SPT imaging approaches, however, result in fragmentation of trajectories into small pieces as the probes move through the microscope’s plane of focus. This makes it challenging to extract usable biological information. This paper describes a method to reconstruct an SPT target’s dynamic profile from these trajectory fragments. The method builds on previous approaches to provide information about challenging SPT targets without discrete dynamic states while accounting for some known biases, enabling observation of previously hidden features in mammalian SPT experiments.

Abstract Single-molecule localization microscopy (SMLM) techniques, such as single-molecule tracking (SMT), enable in situ measurements in cells from which data-rich metrics can be extracted. SMT has been successfully applied to a variety of biological questions and model systems, aiming to unravel the spatiotemporal regulation of molecular mechanisms that govern protein function, downstream pathway effects, and cellular function. While powerful, SMLM often suffers from low throughput and illumination inhomogeneity, along with microscope and user-induced technical biases. Due to technical limitations in scaling SMLM techniques, a tradeoff between spatiotemporal resolution and throughput has been made historically, restricting broad application of these technologies. Here we address these limitations using Oblique Line Scan (OLS), a robust single-objective light-sheet based illumination and detection modality that achieves nanoscale spatial resolution and sub-millisecond temporal resolution across a 250 × 190 μm field of view. We demonstrate OLS-enabled SMT on Halo-Tagged proteins in living cells capturing protein motion up to 14 μm 2 /s. By exploiting the adaptability of the acquisition frame rate and the improved rejection of out of focus light, we extend the utility of OLS beyond cellular compartments with in-solution SMT (isSMT) for single-molecule measurement of ligand-protein interactions and disruption of protein-protein interactions (PPI). We illustrate the versatility of OLS by showcasing two-color SMT, STORM, and single molecule fluorescence recovery after photobleaching (FRAP). OLS expands the range of SMLM applications and paves the way for robust, high-throughput single-molecule investigations of protein dynamics required for drug screening and systems biology studies, both in cells and in solution.

Abstract Synthetic lethality provides an attractive strategy for developing targeted cancer therapies. For example, cancer cells with high levels of microsatellite instability (MSI-H) are dependent on the Werner (WRN) helicase for survival. However, the mechanisms that regulate WRN spatiotemporal dynamics remain poorly understood. Here, we used single-molecule tracking (SMT) in combination with a WRN inhibitor to examine WRN dynamics within the nuclei of living cancer cells. WRN inhibition traps the helicase on chromatin, requiring p97/VCP for extraction and proteasomal degradation in a MSI-H dependent manner. Using a phenotypic screen, we identify the PIAS4-RNF4 axis as the pathway responsible for WRN degradation. Finally, we show that co-inhibition of WRN and SUMOylation has an additive toxic effect in MSI-H cells and confirm the in vivo activity of WRN inhibition using an MSI-H mouse xenograft model. This work elucidates a regulatory mechanism for WRN that may facilitate identification of new therapeutic modalities, and highlights the use of SMT as a tool for drug discovery and mechanism-of-action studies.

Synthetic lethality, the concept in which the co-occurrence of two genetic events leads to cell death while either single event alone does not, is an attractive strategy for targeted cancer therapies. A recent example of synthetic lethality as a therapeutic paradigm is the observation that cancer cells with high levels of microsatellite instability (MSI-H) are dependent on the Werner (WRN) RecQ helicase for survival. However, the mechanisms that regulate WRN spatiotemporal dynamics are not fully understood. In this study, we used our single molecule tracking (SMT) platform in combination with a recently disclosed WRN inhibitor to gain insights into WRN9s dynamic localization within the nuclei of live cancer cells. We observe that WRN inhibition results in the helicase becoming trapped on chromatin, requiring p97/VCP for extraction and shuttling to the proteasome for degradation. Interestingly, this sequence of events resulting in WRN degradation appears to be MSI-H dependent. Using a phenotypic screen, we identify the PIAS4-RNF4 axis as the pathway responsible for WRN degradation and show that co-inhibition of WRN and SUMOylation has an additive toxic effect in MSI-H cells. Taken together, our work elucidates a novel regulatory mechanism for WRN. Gaining a deeper understanding into this regulatory pathway for WRN can aid in the identification of new high value targets for targeted cancer therapies.

Type 2 Nuclear Receptors (T2NRs) require heterodimerization with a common partner, the Retinoid X Receptor (RXR), to bind cognate DNA recognition sites in chromatin. Based on previous biochemical and over-expression studies, binding of T2NRs to chromatin is proposed to be regulated by competition for a limiting pool of the core RXR subunit. However, this mechanism has not yet been tested for endogenous proteins in live cells. Using single molecule tracking (SMT) and proximity-assisted photoactivation (PAPA), we monitored interactions between endogenously tagged retinoid X receptor (RXR) and retinoic acid receptor (RAR) in live cells. Unexpectedly, we find that higher expression of RAR, but not RXR increases heterodimerization and chromatin binding in U2OS cells. This surprising finding indicates the limiting factor is not RXR but likely its cadre of obligate dimer binding partners. SMT and PAPA thus provide a direct way to probe which components are functionally limiting within a complex TF interaction network providing new insights into mechanisms of gene regulation in vivo with implications for drug development targeting nuclear receptors.

During lytic infection, Herpes Simplex Virus 1 generates replication compartments (RCs) in host nuclei that efficiently recruit protein factors, including host RNA Polymerase II (Pol II). Pol II and other cellular factors form hubs in uninfected cells that are proposed to phase separate via multivalent protein-protein interactions mediated by their intrinsically disordered regions. Using a battery of live cell microscopic techniques, we show that although RCs superficially exhibit many characteristics of phase separation, the recruitment of Pol II instead derives from nonspecific interactions with the viral DNA. We find that the viral genome remains nucleosome-free, profoundly affecting the way Pol II explores RCs by causing it to repetitively visit nearby binding sites, thereby creating local Pol II accumulations. This mechanism, distinct from phase separation, allows viral DNA to outcompete host DNA for cellular proteins. Our work provides new insights into the strategies used to create local molecular hubs in cells.