Abstract Nucleosomal histone H2A is exchanged for its variant H2A.Z by the SWR1 chromatin remodeler, but the mechanism and timing of histone exchange remain unclear. Here, we quantify DNA and histone dynamics during histone exchange in real-time using a three-color single-molecule FRET assay. We show that SWR1 operates with timed precision to unwrap DNA with large displacement from one face of the nucleosome, remove H2A-H2B from the same face, and rewrap DNA, all within 2.3 seconds. Such productive DNA unwrapping requires full SWR1 activation and differs from unproductive, smaller-scale DNA unwrapping caused by SWR1 binding alone. On an asymmetrically positioned nucleosome, SWR1 intrinsically senses long-linker DNA to preferentially exchange H2A.Z on the distal face as observed in vivo. The displaced H2A-H2B dimer remains briefly associated with the SWR1-nucleosome complex and is dissociated by histone chaperones. These findings reveal how SWR1 coordinates DNA unwrapping with histone dynamics to rapidly and accurately place H2A.Z at physiological sites on chromatin. One-Sentence Summary Multicolor single-molecule FRET reveals how SWR1 unwraps DNA to exchange nucleosomal H2A-H2B for H2A.Z-H2B.

Summary Eukaryotic gene expression is linked to chromatin structure and nucleosome positioning by ATP-dependent chromatin remodelers that establish and maintain nucleosome-depleted regions (NDRs) near transcription start-sites. Conserved yeast RSC and ISW2 remodelers exert antagonistic effects on nucleosomes flanking NDRs, but the temporal dynamics of remodeler search, nucleosome engagement and mobilization for promoter accessibility are unknown. Using optical tweezers and 2-color single-particle imaging, we investigated the Brownian diffusion of RSC and ISW2 on free DNA and sparse nucleosome arrays. RSC and ISW2 rapidly scan DNA by one-dimensional hopping and sliding respectively, with dynamic collisions between remodelers followed by recoil or apparent co-diffusion. Static nucleosomes block remodeler diffusion resulting in remodeler recoil or sequestration. Remarkably, both RSC and ISW2 use ATP hydrolysis to translocate mono-nucleosomes processively at ∼30 bp/sec for surprising distances on extended linear DNA. Processivity and opposing push-pull directionalities of nucleosome translocation shown by RSC and ISW2 shape the distinctive landscape of promoter chromatin.

Abstract One-dimensional (1D) target search is a well characterized phenomenon for many DNA binding proteins but is poorly understood for chromatin remodelers. Herein, we characterize the 1D scanning properties of SWR1, a yeast chromatin remodeler that performs histone exchange on +1 nucleosomes adjacent to a nucleosome depleted region (NDR) at promoters. We demonstrate that SWR1 has a kinetic binding preference for DNA of NDR length as opposed to gene-body linker length DNA. Using single and dual color single particle tracking on DNA stretched with optical tweezers, we directly observe SWR1 diffusion on DNA. We found that various factors impact SWR1 scanning, including ATP which promotes diffusion through nucleotide binding rather than ATP hydrolysis. A DNA binding subunit, Swc2, plays an important role in the overall diffusive behavior of the complex, as the subunit in isolation retains similar, although faster, scanning properties as the whole remodeler. ATP-bound SWR1 slides until it encounters a protein roadblock, of which we tested dCas9 and nucleosomes. The median diffusion coefficient, 0.024 μm 2 /sec, in the regime of helical sliding, would mediate rapid encounter of NDR-flanking nucleosomes at length scales found in cells.