Phase separation and gene control Many components of eukaryotic transcription machinery—such as transcription factors and cofactors including BRD4, subunits of the Mediator complex, and RNA polymerase II—contain intrinsically disordered low-complexity domains. Now a conceptual framework connecting the nature and behavior of their interactions to their functions in transcription regulation is emerging (see the Perspective by Plys and Kingston). Chong et al. found that low-complexity domains of transcription factors form concentrated hubs via functionally relevant dynamic, multivalent, and sequence-specific protein-protein interaction. These hubs have the potential to phase-separate at higher concentrations. Indeed, Sabari et al. showed that at super-enhancers, BRD4 and Mediator form liquid-like condensates that compartmentalize and concentrate the transcription apparatus to maintain expression of key cell-identity genes. Cho et al. further revealed the differential sensitivity of Mediator and RNA polymerase II condensates to selective transcription inhibitors and how their dynamic interactions might initiate transcription elongation. Science , this issue p. eaar2555 , p. eaar3958 , p. 412 ; see also p. 329

The carboxy-terminal domain (CTD) of RNA polymerase (Pol) II is an intrinsically disordered low-complexity region that is critical for pre-mRNA transcription and processing. The CTD consists of hepta-amino acid repeats varying in number from 52 in humans to 26 in yeast. Here we report that human and yeast CTDs undergo cooperative liquid phase separation, with the shorter yeast CTD forming less-stable droplets. In human cells, truncation of the CTD to the length of the yeast CTD decreases Pol II clustering and chromatin association, whereas CTD extension has the opposite effect. CTD droplets can incorporate intact Pol II and are dissolved by CTD phosphorylation with the transcription initiation factor IIH kinase CDK7. Together with published data, our results suggest that Pol II forms clusters or hubs at active genes through interactions between CTDs and with activators and that CTD phosphorylation liberates Pol II enzymes from hubs for promoter escape and transcription elongation.

Animal genomes are folded into loops and topologically associating domains (TADs) by CTCF and cohesin, but whether these loops are stable or dynamic is unknown. Here, we directly visualize chromatin looping at the Fbn2 TAD in mouse embryonic stem cells using super-resolution live-cell imaging and quantify looping dynamics by Bayesian inference. Our results are consistent with cohesin-mediated loop extrusion in cells, and with CTCF both stopping and stabilizing cohesin. Surprisingly, the Fbn2 loop is both rare and dynamic, with a looped fraction of ~3-6.5% and a median loop lifetime of ~10-30 minutes. Instead of a stable loop, our results establish a highly dynamic view of TADs and loops where the Fbn2 TAD exists predominantly in a partially extruded conformation. This dynamic and quantitative view of TADs may facilitate a mechanistic understanding of their functions.

Abstract Sub-nuclear compartmentalization has been proposed to play an important role in gene regulation by segregating active and inactive parts of the genome in distinct physical and biochemical environments, where transcription and epigenetic factors are either concentrated or depleted. The inactive X chromosome offers a paradigm for studying sub-nuclear compartmentalization. When the non-coding Xist RNA coats the X chromosome, it recruits repressors and chromatin factors that trigger gene silencing, and forms a dense body of heterochromatin from which the transcription machinery appears to be excluded. Phase separation has been proposed to be involved in X-chromosome inactivation (XCI) and might explain exclusion of the transcription machinery by preventing its diffusion into the Xist -coated territory. Here, using quantitative fluorescence microscopy and single particle tracking, we show that RNA polymerase II (RNAPII) freely accesses the Xist territory during initiation of XCI, and that its diffusion is not prevented by biophysical constraints. Instead, the apparent depletion of RNAPII is due to the loss of its chromatin bound fraction. These findings demonstrate that initial exclusion of RNA Pol2 from the inactive X is a consequence of its reduced binding rate at the chromatin and gene level, rather than the biophysical compartmentalization of the inactive X heterochromatin domain. The Xist silent compartment is thus a biochemical rather than a biophysical compartment, at least during initiation of XCI.

Abstract Human SAGA is an essential co-activator complex that regulates gene expression by interacting with enhancer-bound activators, recruiting transcriptional machinery, and modifying chromatin near promoters. Subunit variations and the metazoan-specific requirement of SAGA in development hinted at unique structural features of the human complex. Our 2.9 Å structure of human SAGA reveals intertwined functional modules flexibly connected to a core that distinctively integrates mammalian paralogs, incorporates U2 splicing subunits, and features a unique interface between the core and the activator-binding TRRAP. Our structure sheds light on unique roles and regulation of human coactivators with implications for transcription and splicing that have relevance in genetic diseases and cancer.

Abstract Transcription factors (TFs) are classically attributed a modular construction, containing well-structured sequence specific DNA-binding domains (DBDs) paired with disordered activation domains (ADs) responsible for protein-protein interactions targeting cofactors or the core transcription initiation machinery. However, this simple division of labor model struggles to explain why TFs with identical DNA binding sequence specificity determined in vitro exhibit distinct binding profiles in vivo . The family of Hypoxia-Inducible Factors (HIFs) offer a stark example: aberrantly expressed in several cancer types, HIF-1α and HIF-2α subunit isoforms recognize the same DNA motif in vitro – the hypoxia response element (HRE) – but only share a subset of their target genes in vivo , while eliciting contrasting effects on cancer development and progression under certain circumstances. To probe the mechanisms mediating isoform-specific gene regulation, we used live cell single particle tracking (SPT) to investigate HIF nuclear dynamics and how they change upon genetic perturbation or drug treatment. We found that HIF-α subunits and their dimerization partner HIF-1β exhibit distinct diffusion and binding characteristics that are exquisitely sensitive to concentration and subunit stoichiometry. Using domain-swap variants, mutations, and a HIF-2α specific inhibitor, we found that although the DBD and dimerization domains are important, a major determinant of chromatin binding and diffusion behavior is the AD-containing intrinsically disordered region (IDR). Using Cut&Run and RNA-seq as orthogonal genomic approaches we also confirmed IDR-dependent binding and activation of a specific subset of HIF-target genes. These findings reveal a previously unappreciated role of IDRs in regulating the TF search and binding process that contribute to functional target site selectivity on chromatin.

Abstract Gene activation by mammalian transcription factors (TFs) requires dynamic, multivalent, and selective interactions of their intrinsically disordered low-complexity domains (LCDs), but how such interactions mediate transcription remains unclear. It has been proposed that extensive LCD-LCD interactions culminating in liquid-liquid phase separation (LLPS) of TFs is the dominant mechanism underlying transactivation. Here, we investigated how tuning the amount and localization of LCD-LCD interactions in vivo affects transcription of endogenous human genes. Quantitative single-cell and single-molecule imaging reveals that the oncogenic TF EWS/FLI1 requires a finely tuned range of LCD-LCD interactions to efficiently activate target genes. Modest or more dramatic increases in LCD-LCD interactions toward putative LLPS repress EWS/FLI1-driven transcription in patient cells. Likewise, ectopically creating LCD-LCD interactions to sequester EWS/FLI1 into a bona fide LLPS compartment, the nucleolus, inhibits EWS/FLI1-driven transcription and oncogenic transformation. Our findings reveal fundamental principles underlying LCD-mediated transcription and suggest mislocalizing specific LCD-LCD interactions as a novel therapeutic strategy for targeting disease-causing TFs.

Summary Lineage transcription factors (TFs) provide one regulatory level of differentiation crucial for the generation and maintenance of healthy tissues. To probe TF function by measuring their dynamics during adult intestinal homeostasis, we established HILO-illumination-based live-cell single-molecule tracking (SMT) in mouse small intestinal enteroid monolayers recapitulating tissue differentiation hierarchies in vitro . To increase the throughput, capture cellular features, and correlate morphological characteristics with diffusion parameters, we developed an automated imaging and analysis pipeline, broadly applicable to 2D culture systems. Studying two absorptive lineage-determining TFs, we find an expression level-independent contrasting diffusive behavior: While Hes1, key determinant of absorptive lineage commitment, displays a large cell-to-cell variability and an average fraction of DNA-bound molecules of ∼32%, Hnf4g, conferring enterocyte identity, exhibits more uniform dynamics and a bound fraction of ∼56%. Our results suggest that TF diffusive behavior can indicate the progression of differentiation and modulate early versus late differentiation within a lineage. Highlights - Automated live-cell single-molecule tracking records hundreds of cells in enteroid monolayers - Cellular diffusion clustering and morphological feature correlation reveals subpopulations - Transcription factor dynamics regulate differentiation independent of expression level - Hes1 and Hnf4g display contrasting dynamics assisting early vs. late absorptive differentiation

Abstract Single-molecule imaging provides a powerful way to study biochemical processes in live cells, yet it remains challenging to track single molecules while simultaneously detecting their interactions. Here we describe a novel property of rhodamine dyes, proximity-assisted photoactivation (PAPA), in which one fluorophore (the “sender”) can reactivate a second fluorophore (the “receiver”) from a dark state. PAPA requires proximity between the two fluorophores, yet it operates at a longer average intermolecular distance than Förster resonance energy transfer (FRET). We show that PAPA can be used in live cells both to detect protein-protein interactions and to highlight a sub-population of labeled protein complexes in which two different labels are in proximity. In proof-of-concept experiments, PAPA detected the expected correlation between androgen receptor self-association and chromatin binding at the single-cell level. These results establish a new way in which a photophysical property of fluorophores can be harnessed to study molecular interactions in single-molecule imaging of live cells.

Summary Cells are built from vast networks of competing molecular interactions, most of which have been impossible to monitor in vivo. We recently devised a new strategy, proximity-assisted photoactivation (PAPA), to detect these interactions at single-molecule resolution in live cells. Here we apply PAPA to visualize the network of interactions that regulate the central transcription elongation factor P-TEFb. PAPA between multiple pairs of endogenous proteins, combined with fast single-molecule tracking (fSMT), revealed that inactive P-TEFb within the 7SK ribonucleoprotein complex is largely unbound to chromatin, that this complex dissociates within minutes of treatment with a P-TEFb kinase inhibitor, and that heterogeneous ribonucleoproteins (hnRNPs) bind 7SK concomitant with P-TEFb release. Unlike 7SK-bound P-TEFb, P-TEFb associated with the coactivator BRD4 exhibited increased binding to chromatin. Our results address longstanding questions about a key transcriptional regulator and demonstrate that PAPA-fSMT can probe subunit interactions and exchange within endogenous regulatory complexes in live cells.