Understanding the mechanisms governing the structure and dynamics of flexible polymers like chromosomes, especially the signatures of motor-driven active processes, is of great interest in genome biology. We study chromosomes as a coarse-grained polymer model where microscopic motor activity is captured via an additive temporally persistent noise. The active steady state is characterized by two parameters: active force, controlling the persistent-noise amplitude, and correlation time, the decay time of active noise. We find that activity drives correlated motion over long distances and a regime of dynamic compaction into a globally collapsed entangled globule. Diminished topological constraints destabilize the entangled globule, and the active segments trapped in the globule move toward the periphery, resulting in an enriched active monomer density near the periphery. We also show that heterogeneous activity leads to the segregation of the highly dynamic species from the less dynamic one, suggesting a role of activity in chromosome compartmental segregation. Adding activity to experimental-data-derived structures, we find active loci may mechanically perturb and switch compartments established via epigenetics-driven passive self-association. The key distinguishing signatures of activity are enhanced apparent diffusivity, exploration of all the dynamic regimes (subdiffusion, effective diffusion, and superdiffusion) at various lag times, and a broadened distribution of observables like the dynamic exponents. Published by the American Physical Society 2024

Micromechanical studies of mitotic chromosomes have revealed them to be remarkably extensible objects and informed early models of mitotic chromosome organization. We use a data-driven, coarsegrained polymer modeling approach, capable of generating ensembles of chromosome structures that are quantitatively consistent with experiments, to explore the relationship between the spatial organization of individual chromosomes and their emergent mechanical properties. In particular, we investigate the mechanical properties of our model chromosomes by axially stretching them. Simulated stretching led to a linear force-extension curve for small strain, with mitotic chromosomes behaving about ten-fold stiffer than interphase chromosomes. Studying the relaxation dynamics we found that chromosomes are viscoelastic solids, with a highly liquid-like, viscous behavior in interphase that becomes solid-like in mitosis. This emergent mechanical stiffness in our model originates from lengthwise compaction, an effective potential capturing the activity of loop-extruding SMC complexes. Chromosomes denature under large strains via unraveling, which is characterized by opening of large-scale folding patterns. By quantifying the effect of mechanical perturbations on the chromosome’s structural features, our model provides a nuanced understanding of in vivo mechanics of chromosomes.

The link between genomic structure and biological function is yet to be consolidated, it is, however, clear that physical manipulation of the genome, driven by the activity of a variety of proteins, is a crucial step. To understand the consequences of the physical forces underlying genome organization, we build a coarse-grained polymer model of the genome, featuring three fundamentally distinct classes of interactions: lengthwise compaction, i.e., compaction of chromosomes along its contour, self-adhesion among epigenetically similar genomic segments, and adhesion of chromosome segments to the nuclear envelope or lamina. We postulate that these three types of interactions sufficiently represent the concerted action of the different proteins organizing the genome architecture and show that an interplay among these interactions can recapitulate the architectural variants observed across the tree of life. The model elucidates how an interplay of forces arising from the three classes of genomic interactions can drive drastic, yet predictable, changes in the global genome architecture, and makes testable predictions. We posit that precise control over these interactions in vivo is key to the regulation of genome architecture.

ABSTRACT Multiple RNA polymerases (RNAPs) transcribing a gene have been known to exhibit collective group behavior, causing the transcription elongation rate to increase with the rate of transcription initiation. Such behavior has long been believed to be driven by a physical interaction or “push” between closely spaced RNAPs. However, recent studies have posited that RNAPs separated by longer distances may cooperate via the DNA segment under transcription. Here, we present a theoretical model incorporating the mechanical coupling between RNAP translocation and the torsional response of supercoiled DNA. Using stochastic simulations, we demonstrate long-range cooperation between co-transcribing RNAPs mediated by DNA supercoiling. We find that inhibiting transcription initiation can slow down the already recruited RNAPs, in agreement with recent experimental observations, and predict that the average transcription elongation rate varies non-monotonically with the rate of transcription initiation. We further show that while RNAPs transcribing neighboring genes oriented in tandem can cooperate, those transcribing genes in divergent or convergent orientations can act antagonistically, and that such behavior holds over a large range of intergenic separations. Our model makes testable predictions, revealing how the mechanical interplay between RNAPs and the DNA they transcribe can govern a key cellular process.

We present a statistical-mechanical model for stretched twisted double-helix DNA, where thermal fluctuations are treated explicitly from a Hamiltonian without using any scaling hypotheses. Our model applied to defect-free supercoiled DNA describes coexistence of multiple plectoneme domains in long DNA molecules at physiological salt concentrations (0.1 M Na+) and stretching forces (~1 pN). We find higher (lower) number of domains at lower (higher) ionic strengths and stretching forces, in accord with experimental observations. We use our model to study the effect of an immobile point defect on the DNA contour that allows a localized kink. The degree of the kink is controlled by the defect size, such that a larger defect further reduces the bending energy of the defect-facilitated kinked end loop. We find that a defect can spatially pin a plectoneme domain via nucleation of a kinked end loop, in accord with experiments and simulations. Our model explains previously-reported magnetic tweezer experiments showing two buckling signatures: buckling and 'rebuckling' in supercoiled DNA with a base-unpaired region. Comparing with experiments, we find that under 1 pN force, a kinked end loop nucleated at a base-mismatched site reduces the bending energy by ~ 0.7 kBT per unpaired base. Our model predicts coexistence of three states at the buckling and rebuckling transitions that warrants new experiments.

Bacterial chromosome segregation, ensuring equal distribution of replicated DNA, is crucial for cell division. During fast growth, replication and segregation co-occur. Overlapping cycles of DNA replication and segregation require efficient segregation of the origin of replication (Ori), which is known to be orchestrated by the protein families SMC and ParAB. We used data-driven physical modeling to study the roles of these proteins in Ori segregation. Developing a polymer model of the Bacillus subtilis genome based on Hi-C data, we analyzed chromosome structures in wild-type cells and mutants lacking SMC or ParAB. Wild-type chromosomes showed clear Ori segregation, while the mutants lacked faithful segregation. The model suggests that the dual role of ParB proteins, loading SMCs near the Ori and interacting with ParA, is crucial for Ori segregation. ParB-loaded SMCs compact individual Ori and introduce an effective inter-sister repulsion that regulates the ParAB-activity to avoid the detrimental scenario of pulling both Ori to the same pole. The model makes testable predictions for sister-chromosome-resolved Hi-C experiments and proposes that replicated sister chromosomes segregate via mechanistic cooperation of SMC and ParAB activity.

Damaged or mismatched DNA bases result in the formation of physical defects in double-stranded DNA. In vivo, defects in DNA must be rapidly and efficiently repaired to maintain cellular function and integrity. Defects can also alter the mechanical response of DNA to bending and twisting constraints, both of which are important in defining the mechanics of DNA supercoiling. Here, we use coarse-grained molecular dynamics (MD) simulation and supporting mean-field theory to study the effect of mismatched base pairs on DNA supercoiling. The coarse-grained approach reproduces experimentally observed deterministic plectoneme pinning at the mismatch under conditions of relatively high force (> 2 pN) and high salt concentration (> 0.5 M NaCl). Under physiologically relevant conditions of lower force (0.3 pN) and lower salt concentration (0.2 M NaCl), we find that plectoneme pinning becomes probabilistic and the pinning probability increases with the mismatch size. The simulation results broadly agree with existing statistical mechanical mean-field theoretical predictions for the high force-high salt regime. The coarse-grained simulation framework, validated with experimental results and supported by the theoretical predictions, provides a way to study the effect of defects on DNA supercoiling and the dynamics of supercoiling in molecular detail.

Braided DNAs are significant structural intermediates in cellular processes, yet little has been experimentally demonstrated about their higher-order structure and twisting torques. We use magnetic tweezers to measure braid extensions at forces ranging from 0.3 to 8 piconewtons, and then apply a thermodynamic Maxwell relation to calculate the torque. Experimentally inferred torques in unbuckled braids take on values up to 76 pNnm, which depends on force, and inter-tether distance. As predicted using a statistical mechanical model, the twist modulus of the braids increases with catenation prior to buckling or formation of plectoneme, and is comparable to that of single DNA.

Transcription has a mechanical component, as the translocation of the transcription machinery or RNA polymerase (RNAP) on DNA or chromatin is dynamically coupled to the chromatin torsion. This posits chromatin mechanics as a possible regulator of eukaryotic transcription, however, the modes and mechanisms of this regulation are elusive. Here, we first take a statistical mechanics approach to model the torsional response of topology-constrained chromatin. Our model recapitulates the experimentally observed weaker torsional rigidity of chromatin compared to bare DNA, and proposes structural transitions of nucleosomes into chirally distinct states as the driver of the contrasting torsional mechanics. Coupling chromatin mechanics with RNAP translocation in stochastic simulations, we reveal a complex interplay of DNA supercoiling and nucleosome dynamics in governing RNAP velocity. Nucleosomes play a dual role in controlling the transcription dynamics. The steric barrier aspect of nucleosomes in the gene body counteracts transcription via hindering RNAP motion, whereas the chiral transitions facilitate RNAP motion via driving a low restoring torque upon twisting the DNA. While nucleosomes with low dissociation rates are typically transcriptionally repressive, highly dynamic nucleosomes offer less of a steric barrier and enhance the transcription elongation dynamics of weakly transcribed genes via buffering DNA twist. We use the model to predict transcription-dependent levels of DNA supercoiling in segments of the budding yeast genome that are in accord with available experimental data. The model unveils a paradigm of DNA supercoiling-mediated interaction between genes and makes testable predictions that will guide experimental design.

Understanding the mechanisms governing the structure and dynamics of flexible polymers like chromosomes, especially, the signatures of motor-driven active processes is of great interest in genome biology. We study chromosomes as a coarse-grained polymer model where microscopic motor activity is captured via an additive temporally persistent noise. The active steady state is characterized by two parameters: active force, controlling the persistent-noise amplitude, and correlation time, the decay time of active noise. We find that activity drives dynamic compaction, leading to a globally collapsed entangled globule for long correlation times. Diminished topological constraints destabilize the entangled globule, and the polymer segments trapped in the globule move toward the periphery, resulting in an enriched density near the periphery. We also show that heterogeneous activity may lead to the segregation of the highly dynamic species from the less dynamic one. Our model suggests correlated motor forces as a factor (re)organizing chromosome compartments and driving transcriptionally active regions towards the chromosome periphery. This contrasts the passive adhesive or repulsive forces shaping chromosome structures. Importantly, structural ensembles are not sufficient to distinguish between the active or passive mechanisms, but the dynamics may hold key distinguishing signatures. The motor-driven polymer shows distinctive dynamic features like enhanced apparent diffusivity and exploration of all the dynamic regimes (sub-diffusion, effective diffusion, and super-diffusion) at various lag times.