Abstract The mechanism by which polymerase α – primase (polα–primase) synthesizes chimeric RNA-DNA primers of defined length and composition, necessary for replication fidelity and genome stability, is unknown. Here, we report cryo-EM structures of polα–primase in complex with primed templates representing various stages of DNA synthesis. Our data show how interaction of the primase regulatory subunit with the primer 5′-end facilitates handoff of the primer to polα and increases polα processivity, thereby regulating both RNA and DNA composition. The structures detail how flexibility within the heterotetramer enables synthesis across two active sites and provide evidence that termination of DNA synthesis is facilitated by reduction of polα and primase affinities for the varied conformations along the chimeric primer/template duplex. Together, these findings elucidate a critical catalytic step in replication initiation and provide a comprehensive model for primer synthesis by polα–primase.

DNA replication in eukaryotes relies on the synthesis of a ~30-nucleotide RNA/DNA primer strand through the dual action of the heterotetrameric polymerase α-primase (pol-prim) enzyme. Synthesis of the 7-10-nucleotide RNA primer is regulated by the C-terminal domain of the primase regulatory subunit (PRIM2C) and is followed by intramolecular handoff of the primer to pol α for extension by ~20 nucleotides of DNA. Here we provide evidence that RNA primer synthesis is governed by a combination of the high affinity and flexible linkage of the PRIM2C domain and the low affinity of the primase catalytic domain (PRIM1) for substrate. Using a combination of small angle X-ray scattering and electron microscopy, we found significant variability in the organization of PRIM2C and PRIM1 in the absence and presence of substrate, and that the population of structures with both PRIM2C and PRIM1 in a configuration aligned for synthesis is low. Crosslinking was used to visualize the orientation of PRIM2C and PRIM1 when engaged by substrate as observed by electron microscopy. Microscale thermophoresis was used to measure substrate affinities for a series of pol-prim constructs, which showed that the PRIM1 catalytic domain does not bind the template or emergent RNA-primed templates with appreciable affinity. Together, these findings support a model of RNA primer synthesis in which generation of the nascent RNA strand and handoff of the RNA-primed template from primase to polymerase α is mediated by the high degree of inter-domain flexibility of pol-prim, the ready dissociation of PRIM1 from its substrate, and the much higher affinity of the POLA1cat domain of polymerase α for full-length RNA-primed templates.