Actin filament polymerization generates force for protrusion of the leading edge in motile cells. In protrusive structures, multiple actin filaments are arranged in cross-linked webs (as in lamellipodia or pseudopodia) or parallel bundles (as in filopodia). We have used an optical trap to directly measure the forces generated by elongation of a few parallel-growing actin filaments brought into apposition with a rigid barrier, mimicking the geometry of filopodial protrusion. We find that the growth of approximately eight actin parallel-growing filaments can be stalled by relatively small applied load forces on the order of 1 pN, consistent with the theoretical load required to stall the elongation of a single filament under our conditions. Indeed, large length fluctuations during the stall phase indicate that only the longest actin filament in the bundle is in contact with the barrier at any given time. These results suggest that force generation by small actin bundles is limited by a dynamic instability of single actin filaments, and therefore living cells must use actin-associated factors to suppress this instability to generate substantial forces by elongation of parallel bundles of actin filaments.

Abstract The condensin SMC protein complex organizes chromosomal structure by extruding loops of DNA. Its ATP-dependent motor mechanism remains unclear but likely involves steps associated with large conformational changes within the ~50 nm protein complex. Here, using high-resolution magnetic tweezers, we resolve single steps in the loop extrusion process by individual yeast condensins. The measured median step sizes range between 20-40 nm at forces of 1.0-0.2 pN, respectively, comparable with the holocomplex size. These large steps show that, strikingly, condensin typically reels in DNA in very sizeable amounts with ~200 bp on average per single extrusion step at low force, and occasionally even much larger, exceeding 500 bp per step. Using Molecular Dynamics simulations, we demonstrate that this is due to the structural flexibility of the DNA polymer at these low forces. Using ATP-binding-impaired and ATP-hydrolysis-deficient mutants, we find that ATP binding is the primary step-generating stage underlying DNA loop extrusion. We discuss our findings in terms of a scrunching model where a stepwise DNA loop extrusion is generated by an ATP-binding-induced engagement of the hinge and the globular domain of the SMC complex.

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.

Abstract The Min proteins constitute the best-studied model system for pattern formation in cell biology. We theoretically predict and experimentally show that the propagation direction of in vitro Min protein patterns can be controlled by a hydrodynamic flow of the bulk solution. We find downstream propagation of Min wave patterns for low MinE:MinD concentration ratios, upstream propagation for large ratios, but multistability of both propagation directions in between. Whereas downstream propagation can be described by a minimal model that disregards MinE conformational switching, upstream propagation can be reproduced by a reduced switch model, where increased MinD bulk concentrations on the upstream side promote protein attachment. Our study demonstrates that a differential flow, where bulk flow advects protein concentrations in the bulk, but not on the surface, can control surface-pattern propagation. This suggests that flow can be used to probe these features and to constrain mathematical models for pattern-forming systems.

New assays for quantitative imaging 1–6 and sequencing 7–11 have yielded great progress towards understanding the organizational principles of chromosomes. Yet, even for the well-studied model bacterium Escherichia coli , many basic questions remain unresolved regarding chromosomal (sub-)structure 2,11 , its mechanics 1,2,12 and dynamics 13,14 , and the link between structure and function 1,15,16 . Here we resolve the spatial organization of the circular chromosome of bacteria by directly imaging the chromosome in live E. coli cells with a broadened cell shape. The chromosome was observed to exhibit a torus topology with a 4.2 μm toroidal length and 0.4 μm bundle thickness. On average, the DNA density along the chromosome shows dense right and left arms that branch from a lower-density origin of replication, and are connected at the terminus of replication by an ultrathin flexible string of DNA. At the single-cell level, the DNA density along the torus is found to be strikingly heterogeneous, with blob-like Mbp-size domains that undergo major dynamic rearrangements, splitting and merging at a minute timescale. We show that prominent domain boundaries at the terminus and origin of replication are induced by MatP proteins, while weaker transient domain boundaries are facilitated by the global transcription regulators HU and Fis. These findings provide an architectural basis for the understanding of the spatial organization of bacterial genomes.

ABSTRACT The Min protein system is arguably the best-studied model systems for biological pattern formation. It exhibits pole-to-pole oscillations in E. coli bacteria as well as a variety of surface wave patterns in in vitro reconstitutions. Such Min surface wave patterns pose particular challenges to quantification as they are typically only semi-periodic and non-stationary. Here, we present a methodology for quantitatively analyzing such Min patterns, aiming for reproducibility, user-independence, and easy usage. After introducing pattern-feature definitions and image-processing concepts, we present an analysis pipeline where we use autocorrelation analysis to extract global parameters such as the average spatial wavelength and oscillation period. Subsequently, we describe a method that uses flow-field analysis to extract local properties such as the wave propagation velocity. We provide descriptions on how to practically implement these quantification tools and provide Python code that can directly be used to perform analysis of Min patterns.

Abstract The bacterial chromosome is spatially organized through protein-mediated compaction, supercoiling, and cell-boundary confinement. Structural Maintenance of Chromosomes (SMC) complexes are a major class of chromosome-organizing proteins present throughout all domains of life. Here, we study the role of the Escherichia coli SMC complex MukBEF in chromosome architecture and segregation. Using quantitative live-cell imaging of shape-manipulated cells, we show that MukBEF is crucial to preserve the toroidal topology of the E. coli chromosome and that it is non-uniformly distributed along the chromosome: it prefers locations towards the origin and away from the terminus of replication, and it is unevenly distributed over the origin of replication along the two chromosome arms. Using an ATP hydrolysis-deficient MukB mutant, we find that MukBEF translocation along the chromosome is ATP-dependent, in contrast to its loading onto DNA. MukBEF and MatP are furthermore found to be essential for sister chromosome decatenation. We propose a model that explains how MukBEF, MatP, and their interacting partners organize the chromosome and contribute to sister segregation and recombination. The combination of bacterial cell-shape modification and quantitative fluorescence microscopy paves way to investigating chromosome-organization factors in vivo .

Abstract The replication and transfer of genomic material from a cell to its progeny are vital processes in all living systems. Here we visualize the process of chromosome replication in E. coli cells with an increased width. Monitoring the replication of single chromosomes yields clear examples of replication bubbles that reveal that the two replisomes move independently from the origin to the terminus of replication along each of the two arms of the circular chromosome, providing direct support for the so-called train-track model, and against a factory model for replisomes. The origin of replication duplicates near midcell, initially splitting to random directions and subsequently towards the poles. The probability of successful segregation of chromosomes significantly decreases with increasing cell width, indicating that chromosome confinement by the cell boundary is an important driver of DNA segregation. Our findings resolve long standing questions in bacterial chromosome organization.