Abstract The Sc2.0 project is building a eukaryotic synthetic genome from scratch, incorporating thousands of designer features. A major milestone has been achieved with the assembly of all individual Sc2.0 chromosomes. Here, we describe the consolidation of multiple synthetic chromosomes using endoreduplication intercross to generate a strain with 6.5 synthetic chromosomes. Genome-wide chromosome conformation capture and long-read direct RNA sequencing were performed on this strain to evaluate the effects of designer modifications, such as loxPsym site insertion, tRNA relocation, and intron deletion, on 3D chromosome organization and transcript isoform profiles. To precisely map “bugs”, we developed a method, CRISPR Directed Biallelic URA3 -assisted Genome Scan, or “CRISPR D-BUGS”, exploiting directed mitotic recombination in heterozygous diploids. Using this method, we first fine-mapped a synII defect resulting from two loxPsym sites in the 3’ UTR of SHM1 . This approach was also used to map a combinatorial bug associated with synIII and synX , revealing a highly unexpected genetic interaction that links transcriptional regulation, inositol metabolism and tRNA Ser CGA abundance. “Starvation” for tRNA Ser CGA leads to insufficient levels of the key positive inositol biosynthesis regulator, Swi3 , which contains tandem UCG codons. Finally, to expedite consolidation, we employed a new method, chromosome swapping, to incorporate the largest chromosome ( synIV ), thereby consolidating more than half of the Sc2.0 genome in a single strain.

Summary Whether synthetic genomes can power life has attracted broad interest in the synthetic biology field, especially when the synthetic genomes are extensively modified with thousands of designer features. Here we report de novo synthesis of the largest eukaryotic chromosome thus far, synIV , a 1,454,621-bp Saccharomyces cerevisiae chromosome resulting from extensive genome streamlining and modification. During the construction of synIV , we developed megachunk assembly combined with a hierarchical integration strategy, which significantly increased the accuracy and flexibility of synthetic chromosome construction and facilitated chromosome debugging. In addition to the drastic sequence changes made to synIV by rewriting it, we further manipulated the three-dimensional structure of synIV in the yeast nucleus to explore spatial gene regulation within the nuclear space. Surprisingly, we found few gene expression changes, suggesting that positioning inside the yeast nucleoplasm plays a minor role in gene regulation. Lastly, we tethered synIV to the inner nuclear membrane via its hundreds of loxPsym sites and observed transcriptional repression of the entire chromosome, demonstrating chromosome-wide transcription manipulation without changing the DNA sequences. Our manipulation of the spatial structure of the largest synthetic yeast chromosome shed light on higher-order architectural design of the synthetic genomes. Graphical abstract Highlights De novo synthesis of the largest eukaryotic chromosome, synIV SynIV shows similar 3D structure to wild-type IV, despite thousands of changes made to it “Inside-out” repositioning of synIV in nucleus shows minor transcriptional changes Multipoint tethering synIV to inner nuclear membrane represses transcription of whole chromosome

ABSTRACT Physical contacts between distant loci contribute to regulate genome function. However, the molecular mechanisms responsible for settling and maintaining such interactions remain poorly understood. Here we investigate the well conserved interactions between heterochromatin loci. In budding yeast, the 32 telomeres cluster in 3-5 foci in exponentially growing cells. This clustering is functionally linked to the formation of heterochromatin in subtelomeric regions through the recruitment of the silencing complex SIR composed of Sir2/3/4. Combining microscopy and Hi-C on strains expressing different alleles of SIR3 , we show that the binding of Sir3 directly promotes long range contacts between distant regions, including the rDNA, telomeres, and internal Sir3 bound sites. Furthermore, we unveil a new property of Sir3 in promoting rDNA compaction. Finally, using a synthetic approach we demonstrate that Sir3 can bond loci belonging to different chromosomes together, when targeted to these loci, independently of its interaction with its known partners (Rap1, and Sir4), Sir2 activity or chromosome context. Altogether these data suggest that Sir3 represents an uncommon example of protein able to bridge directly distant loci.

Summary Eukaryotic DNA wraps around histone octamers forming nucleosomes, which modulate genome function by defining chromatin environments with distinct accessibility. These well-conserved properties allowed “humanization” of the nucleosome core particle (NCP) in Saccharomyces cerevisiae at high fitness costs. Here we studied nucleosome-humanized yeast-genomes to understand how species-specific chromatin affects nuclear organization and function. We found a size increase in human-NCP, linked to shorter free linker DNA, supporting decreased chromatin accessibility. 3-D humanized-genome maps showed increased chromatin compaction and defective centromere clustering, correlated with high chromosomal aneuploidy rate. Site-specific chromatin alterations were associated with lack of initiation of early origins of replication and dysregulation of the ribosomal (rDNA and rRNA) metabolism. This latter led to nucleolar fragmentation and rDNA-array instability, through a non-coding RNA dependent mechanism, leading to its extraordinary, but entirely reversible, intra-chromosomal expansion. Overall, our results reveal species-specific properties of the NCP that define epigenome function across vast evolutionary distances. Highlights Humanized nucleosomes wrap 10 additional nucleotides, shortening free linker length Histone-humanized nucleosomes have increased occupancy for DNA Humanized nucleosomes potentially decrease chromatin accessibility by blocking-out free linker DNA Nucleosome humanization impedes DNA replication by affecting chromatin structure at origins Humanized nucleosomes reversibly destabilize the ribosomal DNA array and leads to massive intrachromosomal rDNA locus expansion Histone humanization disrupts rDNA silencing and leads to nucleolar fragmentation

In addition to replicative histones, eukaryotic genomes encode a repertoire of non-replicative variant histones providing additional layers of structural and epigenetic regulation. Here, we systematically replaced individual replicative human histones with non-replicative human variant histones using a histone replacement system in yeast. Variants H2A.J, TsH2B, and H3.5 complemented for their respective replicative counterparts. However, macroH2A1 failed to complement and its expression was toxic in yeast, negatively interacting with native yeast histones and kinetochore genes. To isolate yeast with "macroH2A1 chromatin" we decoupled the effects of its macro and histone fold domains, which revealed that both domains sufficed to override native yeast nucleosome positioning. Furthermore, both modified constructs of macroH2A1 exhibited lower nucleosome occupancy that correlated with decreased short-range chromatin interactions (<20 Kb), disrupted centromeric clustering, and increased chromosome instability. While supporting viability, macroH2A1 dramatically alters chromatin organization in yeast, leading to genome instability and massive fitness defects.

Abstract The nucleolus is the most prominent membraneless compartment within the nucleus 1, 2 - dedicated to the metabolism of ribosomal RNA. Nucleoli are composed of hundreds of ribosomal DNA (rDNA) repeated genes that form large chromosomal clusters 3–5 , whose high recombination rates can cause nucleolar dysfunction and promote genome instability 6–8 related to metabolic and genetic diseases 9–13 . Intriguingly, the evolving architecture of genomes appears to have favored two strategic rDNA locations in a broad range of species – where a single locus per chromosome is situated either near the centromere or the telomere 14, 15 . To delve into how organisms may benefit from these nuclear organizations, we used a fused-karyotype strain of Saccharomyces cerevisiae 16 to megabase-engineer a chromosome with twin chromosome-collinear rDNA loci. We showed that the twin-rDNA yeast readily adapts exhibiting wild-type growth and maintaining rRNA homeostasis. Using imaging and chromosome conformation capture, we found that the twin loci merge into a single subnuclear compartment throughout the cell cycle. Unexpectedly, we found that rDNA locus size is dependent on its position relative to the centromere, whereby the locus that is centromere–distal undergoes size reduction at a higher frequency compared to the centromere-proximal counterpart. In sum, our work sheds light on the structural evolution of rDNA loci and provides new tools to study the rDNA dosage effect on cellular metabolism.

Forcing budding yeast to chromatinize their DNA with human histones manifests an abrupt fitness cost. We previously proposed chromosomal aneuploidy and missense mutations as two potential modes of adaptation to histone humanization. Here we show that aneuploidy in histone-humanized yeasts is specific to a subset of chromosomes, defined by their centromeric evolutionary origins, however, they are not adaptive. Instead we show that a set of missense mutations in outer kinetochore proteins drive adaptation to human histones. Further, we characterize the molecular mechanism of two mutants of the outer kinetochore DASH/Dam1 complex, which reduce aneuploidy by suppression of chromosome instability. Molecular modeling and biochemical experiments show that these two mutants likely disrupt a conserved oligomerization interface thereby weakening microtubule attachments. Lastly, we show that one mutant, DAD1 E50D , while suppressing chromosome instability in mitosis, leads to gross defects in meiosis. In sum, our data show how a set of point mutations evolved in the histone-humanized yeasts to counterbalance human histone induced chromosomal instability through weakening microtubule interactions, eventually promoting a return to euploidy.

To ensure the proper transmission of the genetic information, DNA molecules must be faithfully duplicated and segregated. These processes involve dynamic modifications of chromosomes internal structure to promote their individualization, as well as their global re-positioning into daughter cells (Guacci et al., 1994; Kleckner et al., 2014; Mizuguchi et al., 2014). In eukaryotes, these events are regulated by conserved architectural proteins, such as structural maintenance of chromosomes (SMC i.e. cohesin and condensin) complexes (Aragon et al., 2013a; Uhlmann, 2016). Although the roles of these factors have been actively investigated, the genome-wide chromosomal architecture and dynamics both at small and large-scales during cell division remains elusive. Here we report a comprehensive Hi-C (Dekker et al., 2002; Lieberman-Aiden et al., 2009) analysis of the dynamic changes of chromosomes structure over the Saccharomyces cerevisiae cell cycle. We uncover specific SMC-dependent structural transitions between the different phases of the mitotic cycle. During replication, cohesion establishment promotes the increase of long-range intra-chromosomal contacts. This process correlates with the individualization of chromosomes, which culminates at metaphase. Mitotic chromosomes are then abruptly reorganized in anaphase by the mechanical forces exerted by the mitotic spindle on the centromere cluster. The formation of a condensin-dependent loop, that bridges centromere cluster with the cen-proximal flanking region of the rDNA, suggests that these forces may directly facilitate nucleolus segregation. This work provides a comprehensive overview of chromosome dynamics during the cell cycle of a unicellular eukaryote that recapitulates and unveils new features of highly conserved stages of the cell division.

Understanding how chromatin organizes spatially into chromatid and how sister chromatids are maintained together during mitosis is of fundamental importance in chromosome biology. Cohesin, a member of the Structural Maintenance of Chromosomes (SMC) complex family, holds sister chromatids together and promotes long-range intra-chromatid DNA looping. These cohesin-mediated DNA loops are important for both higher-order mitotic chromatin compaction and, in some organisms, compartmentalization of chromosomes during interphase into topologically associating domains (TADs). Our understanding of the mechanism(s) by which cohesin generates large DNA loops remains incomplete. It involves a combination of molecular partners and active expansion/extrusion of DNA loops. Here we dissect the roles on loop formation of three partners of the cohesin complex: Pds5, Wpl1 and Eco1 acetylase, during yeast mitosis. We identify a new function for Eco1 in negatively regulating cohesin translocase activity, which powers loop extrusion. In the absence of negative regulation, the main barrier to DNA loop expansion appears to be the centromere. Those results provide new insights on the mechanisms regulating cohesin dependent DNA looping.

Cohesin is a key regulator of genome architecture with roles in sister chromatid cohesion and the organisation of higher-order structures during interphase and mitosis. The recruitment and mobility of cohesin complexes on DNA is restricted by nucleosomes 6-8. Here we show that cohesin role in chromosome organisation requires the histone chaperone FACT. Depletion of FACT in metaphase cells affects cohesin stability on chromatin reducing its accumulation at pericentric regions and binding on chromosome arms. Using Hi-C, we show that cohesin-dependent TAD (Topological Associated Domains)-like structures in G1 and metaphase chromosomes are disrupted in the absence of FACT. Surprisingly, sister chromatid cohesion is intact in FACT-depleted cells, although chromosome segregation failure is observed. Our results uncover a role for FACT in genome organisation by facilitating cohesin dependent compartmentalization of chromosomes into loop domains.