The histone methyltransferase PRC2 (Polycomb Repressive Complex 2) silences genes via successively attaching three methyl groups to lysine 27 of histone H3. PRC2 associates with numerous pre-mRNA and lncRNA transcripts with a binding preference for G-quadruplex RNA. Here, we present a 3.3Ã…-resolution cryo-EM structure of PRC2 bound to a G-quadruplex RNA. Notably, RNA mediates the dimerization of PRC2 by binding both protomers and inducing a protein interface comprised of two copies of the catalytic subunit EZH2, which limits nucleosome DNA interaction and occludes H3 tail accessibility to the active site. Our results reveal an unexpected mechanism for RNA-mediated inactivation of a chromatin-modifying enzyme. Furthermore, the flexible loop of EZH2 that helps stabilize RNA binding also facilitates the handoff between RNA and DNA, an activity implicated in PRC2 regulation by RNA.Cryo-EM structure of RNA-bound PRC2 dimer elucidates an unexpected mechanism of PRC2 inhibition by RNA.

Abstract We previously demonstrated that the PRC2 chromatin-modifying enzyme exhibits the ability to directly transfer between RNA and DNA without a free-enzyme intermediate state. Simulations suggested that such a direct transfer mechanism may be generally necessary for RNA to recruit proteins to chromatin, but the prevalence of direct transfer capability is unknown. Herein, we used fluorescence polarization assays and observed direct transfer for several well-characterized nucleic acid-binding proteins: three-prime repair exonuclease 1 (TREX1), heterogeneous nuclear ribonucleoprotein U, Fem-3-binding factor 2, and MS2 bacteriophage coat protein. For TREX1, the direct transfer mechanism was additionally interrogated by single molecule assays, and the data suggest that direct transfer occurs through an unstable ternary intermediate with partially associated ligands. Generally, direct transfer could allow many DNA- and RNA-binding proteins to conduct a one-dimensional search for their target sites. Furthermore, presumably long-lived protein-polynucleotide complexes might instead be readily replaced by other protein-polynucleotide complexes in vivo . Significance Classically, the lifetime of a protein-ligand complex is presumed to be an intrinsic property, unaffected by competitor molecules in free solution. By contrast, a few oligomeric nucleic acid binding proteins have been observed to exchange competing ligands in their binding sites, and consequently their lifetimes decrease with competitor concentration. Our findings indicate that this “direct transfer” is a more general property of nucleic acid binding proteins. This suggests that many DNA- and RNA-binding proteins can reduce the dimensionality of their search for their target sites by intramolecular direct transfer to nucleosome DNA, instead of relying entirely on three-dimensional diffusion, and it suggests that their mean complex lifetimes in vivo can be regulated by the concentration of free ligand molecules.

Abstract The TREX1 3’ → 5’ exonuclease degrades DNA in vivo to prevent chronic immune activation through the cGAS-STING pathway. TREX1 degrades ss- and dsDNA containing a free 3’-hydroxyl, but the precise nature of immune-activating DNA remains an open question. The TREX1 homodimer structure is critical for exonuclease activity with amino acids from one protomer acting across the dimer interface contributing to catalysis in the opposing protomer. The unique TREX1 obligate homodimer structure suggests an intricate connection between the TREX1 protomers that has yet to be explained. We used biochemical assays, molecular dynamics simulations, and kinetic modeling to determine relative TREX1 affinities for ss- and dsDNA and to interrogate inter-protomer communication within the TREX1 homodimer. These new findings indicate that TREX1 is a semi-processive exonuclease with at least a 20-fold greater affinity for dsDNA than for ssDNA. Furthermore, we find extensively correlated dynamics between TREX1 protomers revealing newly identified substrate interactions in the TREX1 enzyme. These data indicate that TREX1 has evolved as a semi-processive exonuclease with a likely in vivo function to degrade dsDNA, where the TREX1 homodimer structure facilitates a mechanism for efficient binding and catabolism of dsDNA. These studies identify previously unrecognized regions of the TREX1 enzyme involved in DNA interactions, and our findings contribute to an emerging model of TREX1 exonuclease activity.

Abstract The chromatin-modifying enzyme, Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2), deposits the H3K27me3 epigenetic mark to negatively regulate expression at numerous target genes, and this activity has been implicated in embryonic development, cell differentiation, and various cancers. A biological role for RNA binding in regulating PRC2 histone methyltransferase activity is generally accepted, but the nature and mechanism of this relationship remains an area of active investigation. Notably, many in vitro studies demonstrate that RNA inhibits PRC2 activity on nucleosomes through mutually antagonistic binding, while some in vivo studies indicate that PRC2’s RNA-binding activity is critical for facilitating its biological function(s). Here we use biochemical, biophysical, and computational approaches to interrogate PRC2’s RNA and DNA binding kinetics. Our findings demonstrate that PRC2-polynucleotide dissociation rates are dependent on the concentration of free ligand, indicating the potential for direct transfer between ligands without a free-enzyme intermediate. Direct transfer explains the variation in dissociation kinetics reported previously, allows reconciliation of prior in vitro and in vivo studies, and expands the potential mechanisms of RNA-mediated PRC2 regulation. Moreover, simulations indicate that such a direct transfer mechanism could be obligatory for RNA to recruit proteins to chromatin. Significance Studies of PRC2 in vitro indicate that RNA inhibits its histone methyltransferase (HMTase) activity through mutually antagonistic binding with nucleosomes, but some in vivo studies paradoxically suggest that RNA binding is necessary to facilitate chromatin occupancy and HMTase activity. Our findings unveil a protein-intrinsic mechanism for directly exchanging RNA and DNA/nucleosome in PRC2’s binding site(s), which reconciles these prior findings by allowing antagonistic or synergistic RNA-mediated regulation dependent on RNA-nucleosome proximity. Furthermore, there is an increasing awareness that multiple chromatin-associated proteins exhibit regulatory RNA binding activity, and our findings indicate this “direct transfer” mechanism may be generally required for such regulation.

Many transcription factors (TFs) have been shown to bind RNA, leading to open questions regarding the mechanism(s) of this RNA binding and its role in regulating TF activities. Here we use biophysical assays to interrogate the