Bacterial transcription is regulated by the alarmone ppGpp, which binds near the catalytic site of RNA polymerase (RNAP) and modulates its activity. We show that the DksA protein is a crucial component of ppGpp-dependent regulation. The 2.0 A resolution structure of Escherichia coli DksA reveals a globular domain and a coiled coil with two highly conserved Asp residues at its tip that is reminiscent of the transcript cleavage factor GreA. This structural similarity suggests that DksA coiled coil protrudes into the RNAP secondary channel to coordinate a ppGpp bound Mg2+ ion with the Asp residues, thereby stabilizing the ppGpp-RNAP complex. Biochemical analysis demonstrates that DksA affects transcript elongation, albeit differently from GreA; augments ppGpp effects on initiation; and binds directly to RNAP, positioning the Asp residues near the active site. Substitution of these residues eliminates the synergy between DksA and ppGpp. Thus, the secondary channel emerges as a common regulatory entrance for transcription factors.

The human primosome, a four-subunit complex of DNA primase and DNA polymerase alpha (Polα), plays a critical role in DNA replication by initiating RNA and DNA synthesis on both chromosome strands. A recent study has shown that a major virulence factor in the SARS-CoV-2 infection, Nsp1 (non-structural protein 1), forms a stable complex with Polα but does not affect the primosome activity. Here we show that Nsp1 inhibits DNA synthesis across inverted repeats prone to hairpin formation. Analysis of current structural data revealed the overlapping binding sites for Nsp1 and the winged helix-turn-helix domain of RPA (wHTH) on Polα, indicating a competition between them. Comparison of the inhibitory effect of Nsp1 and wHTH on DNA hairpin bypass by Polα showed an 8-fold lower IC

ABSTRACT The human primosome, a four-subunit complex of primase and DNA polymerase alpha (Polα), synthesizes chimeric RNA-DNA primers for DNA polymerases delta and epsilon to initiate DNA replication on both chromosome strands. Despite recent structural insights into the action of its two catalytic centers, the mechanism of DNA synthesis termination is still unclear. Here we report results of functional and structural studies revealing how the human primosome counts RNA-DNA primer length and timely terminates DNA elongation. Using a single-turnover primer extension assay, we defined two factors that determine a mature primer length (~35-mer): 1) a tight interaction of the C-terminal domain of the DNA primase large subunit (p58 C ) with the primer 5’-end, and 2) flexible tethering of p58 C and the DNA polymerase alpha catalytic core domain (p180 core ) to the primosome platform domain by extended linkers. The obtained data allows us to conclude that p58 C is a key regulator of all steps of RNA-DNA primer synthesis. The above-described findings provide a notable insight into the mechanism of DNA synthesis termination by a eukaryotic primosome, an important process for ensuring successful primer handover to replication DNA polymerases and for maintaining genome integrity.

ABSTRACT Human PrimPol possesses DNA primase and DNA polymerase activities and restarts stalled replication forks protecting cells against DNA damage in nuclei and mitochondria. The zinc-binding motif (ZnFn) of the C-terminal domain (CTD) of PrimPol is required for DNA primase activity but the mechanism is not clear. In this work, we biochemically demonstrate that PrimPol initiates de novo DNA synthesis in cis- orientation, when the N-terminal catalytic domain (NTD) and the CTD of one molecule take part in catalysis. The modeling studies revealed that PrimPol uses a similar mode of initiating NTP coordination as the human primase. The ZnFn motif residue Arg417 is required for binding the 5’-triphosphate group that stabilizes the PrimPol complex with a DNA template-primer. We found that PrimPol is able to efficiently initiate DNA synthesis in the absence of the link between the two domains. The ability of the NTD alone to prime DNA synthesis and a regulatory role of the RPA-binding motif in the modulation of PrimPol binding to DNA are also demonstrated.

Abstract The family of Geminiviridae consists of more than 500 circular single-stranded (ss) DNA viral species that can infect numerous dicot and monocot plants. Geminiviruses replicate their genome in the nucleus of a plant cell, taking advantage of the host’s DNA replication machinery. For converting their DNA into double-stranded DNA, and subsequent replication, these viruses rely on host DNA polymerases. However, the priming of the very first step of this process, i.e. the conversion of incoming circular ssDNA into a dsDNA molecule, has remained elusive for almost 30 years. In this study, sequencing of melon ( Cucumis melo ) accession K18 carrying the Tomato leaf curl New Delhi virus (ToLCNDV) recessive resistance quantitative trait locus (QTL) in chromosome 11, and analyses of DNA sequence data from 100 melon genomes, showed a conservation of a shared mutation in the DNA Primase Large subunit ( PRiL ) of all accessions that exhibited resistance upon a challenge with ToLCNDV. Silencing of (native) Nicotiana benthamiana PriL and subsequent challenging with three different geminiviruses showed a severe reduction in titers of all three viruses, altogether emphasizing an important role of PRiL in geminiviral replication. A model is presented explaining the role of PriL during initiation of geminiviral DNA replication, i.e. as a regulatory subunit of primase that generates an RNA primer at the onset of DNA replication in analogy to DNA Primase -mediated initiation of DNA replication in all living organisms.

ABSTRACT DNA polymerase ε (Polε) is a key enzyme for DNA replication in eukaryotes. It is attached to a helicase and performs DNA synthesis on the leading strand. Recently it was shown that the catalytic domain of yeast Polε (Polε CD ) contains a [4Fe-4S] cluster located at the base of the processivity domain (P-domain) and coordinated by four conserved cysteines. In this work, we have shown that human Polε CD (hPolε CD ) expressed in bacterial cells also contains an iron-sulfur cluster. In comparison, recombinant hPolε CD produced in insect cells contains an eight-fold-lower level of iron. Interestingly, the iron content correlates with the level of DNA-binding molecules, which suggests an important role of the iron-sulfur cluster in hPolε interaction with DNA. Indeed, mutation of two conserved cysteines that coordinate the cluster abolished template:primer binding and, therefore, DNA polymerase and proofreading exonuclease activities. We propose that the cluster regulates the conformation of the P-domain, which, like a gatekeeper, controls access to a DNA-binding cleft for a template:primer. In addition, we performed kinetic and binding studies of hPolε CD . The binding studies demonstrated low affinity of hPolε CD to DNA and a strong effect of salt concentration on stability of the hPolε CD /DNA complex. Pre-steady-state kinetic studies have shown a maximal polymerization rate constant of 51.5 s -1 and a relatively low affinity to incoming dNTP with an apparent K D of 105 μM. This work provides notable insight into the role of a [4Fe-4S] cluster in Polε function.

ABSTRACT The human primosome, a four-subunit complex of primase and DNA polymerase alpha (Polα), initiates DNA synthesis on both chromosome strands by generating chimeric RNA-DNA primers for loading DNA polymerases delta and epsilon (Polε). Replication protein A (RPA) tightly binds to single-stranded DNA strands, protecting them from nucleolytic digestion and unauthorized transactions. We report here that RPA plays a critical role for the human primosome during DNA synthesis across inverted repeats prone to hairpin formation. On other alternatively structured DNA forming a G-quadruplex, RPA provides no assistance for primosome. A stimulatory effect of RPA on DNA synthesis across hairpins was also observed for the catalytic domain of Polα but not of Polε. The important factors for an efficient hairpin bypass by primosome are the high affinity of RPA to DNA based on four DNA-binding domains and the interaction of the winged-helix-turn-helix domain of RPA with Polα. Binding studies indicate that this interaction stabilizes the RPA/Polα complex on the primed template. This work provides insight into a cooperative action of RPA and primosome on DNA, which is critical for DNA synthesis across inverted repeats.

Replication protein A (RPA), a major eukaryotic ssDNA-binding protein, is essential for all metabolic processes that involve ssDNA including DNA replication, repair, and damage signaling. Surprisingly, we found here that RPA binds RNA in vitro with high affinity. Using native RIP method, we isolated RNA-RPA complexes from human cells. Furthermore, RPA promotes R-loop formation between RNA and homologous dsDNA. R-loops, the three-stranded nucleic acid structure consisting of an RNA-DNA hybrid and the displaced ssDNA strand, are common in human genome. R-loops may play an important role in transcription-coupled homologous recombination and DNA replication restart. We reconstituted the process of replication restart in vitro using RPA-generated R-loops and human DNA polymerases. These findings indicate that RPA may play a role in RNA metabolism and suggest a mechanism of genome maintenance that depends on RPA and RNA.