ABSTRACT The linker histone H1 is the most abundant group of eukaryotic chromatin-binding proteins. The mechanism underlying the diverse physiological functions of H1 remains unclear. Here we used single-molecule fluorescence and force microscopy to observe the behavior of H1 on DNA under different tensions. Unexpectedly, we found that H1 coalesces around nascent ssDNA. Molecular dynamics simulations revealed that multivalent and transient interactions between H1 and ssDNA mediate their phase separation. We further showed that longer and unpaired nucleic acids result in more viscous, gel-like H1 droplets. Finally, we imaged H1 puncta in cells under normal and stressed conditions and observed that RPA and H1 occupy separate nuclear regions. Overall, our results provide a new perspective to understanding the role of H1 in genome organization and maintenance.

The superfamily-1 helicase non-structural protein 13 (nsp13) is required for SARS-CoV-2 replication, making it an important antiviral therapeutic target. The mechanism and regulation of nsp13 has not been explored at the single-molecule level. Specifically, force-dependent unwinding experiments have yet to be performed for any coronavirus helicase. Here, using optical tweezers, we find that nsp13 unwinding frequency, processivity, and velocity increase substantially when a destabilizing force is applied to the dsRNA, suggesting a passive unwinding mechanism. These results, along with bulk assays, depict nsp13 as an intrinsically weak helicase that can be potently activated by picoNewton forces. Such force-dependent behavior contrasts the known behavior of other viral monomeric helicases, drawing stronger parallels to ring-shaped helicases. Our findings suggest that mechanoregulation, which may be provided by a directly bound RNA-dependent RNA polymerase, enables on-demand helicase activity on the relevant polynucleotide substrate during viral replication.

Mycobacterium tuberculosis (Mtb) is a bacterial pathogen that causes tuberculosis (TB), an infectious disease that is responsible for major health and economic costs worldwide1. Mtb encounters diverse environments during its life cycle and responds to these changes largely by reprogramming its transcriptional output2. However, the mechanisms of Mtb transcription and how they are regulated remain poorly understood. Here we use a sequencing method that simultaneously determines both termini of individual RNA molecules in bacterial cells3 to profile the Mtb transcriptome at high resolution. Unexpectedly, we find that most Mtb transcripts are incomplete, with their 5' ends aligned at transcription start sites and 3' ends located 200-500 nucleotides downstream. We show that these short RNAs are mainly associated with paused RNA polymerases (RNAPs) rather than being products of premature termination. We further show that the high propensity of Mtb RNAP to pause early in transcription relies on the binding of the σ-factor. Finally, we show that a translating ribosome promotes transcription elongation, revealing a potential role for transcription-translation coupling in controlling Mtb gene expression. In sum, our findings depict a mycobacterial transcriptome that prominently features incomplete transcripts resulting from RNAP pausing. We propose that the pausing phase constitutes an important transcriptional checkpoint in Mtb that allows the bacterium to adapt to environmental changes and could be exploited for TB therapeutics.

The DNA double-strand breaks (DSBs) that initiate meiotic recombination are formed by an evolutionarily conserved suite of factors that includes Rec114 and Mei4 (RM), which regulate DSB formation both spatially and temporally. In vivo , these proteins form large immunostaining foci that are integrated with higher order chromosome structures. In vitro , they form a 2:1 heterotrimeric complex that binds cooperatively to DNA to form large, dynamic condensates. However, understanding of the atomic structures and dynamic DNA binding properties of RM complexes is lacking. Here, we report a structural model of a heterotrimeric complex of the C-terminus of Rec114 with the N-terminus of Mei4, supported by nuclear magnetic resonance experiments. This minimal complex, which lacks the predicted intrinsically disordered region of Rec114, is sufficient to bind DNA and form condensates. Single-molecule experiments reveal that the minimal complex can bridge two or more DNA duplexes and can generate force to condense DNA through long-range interactions. AlphaFold2 predicts similar structural models for RM orthologs across diverse taxa despite their low degree of sequence similarity. These findings provide insight into the conserved networks of protein-protein and protein-DNA interactions that enable condensate formation and promote formation of meiotic DSBs.

Mycobacterium tuberculosis (Mtb) is a bacterial pathogen that causes tuberculosis, an infectious disease that inflicts major health and economic costs around the world 1 . Mtb encounters a diversity of environments during its lifecycle, and responds to these changing environments by reprogramming its transcriptional output 2 . However, the transcriptomic features of Mtb remain poorly characterized. In this work, we comprehensively profile the Mtb transcriptome using the SEnd-seq method that simultaneously captures the 5' and 3' ends of RNA 3 . Surprisingly, we find that the RNA coverage for most of the Mtb transcription units display a gradual drop-off within a 200-500 nucleotide window downstream of the transcription start site, yielding a massive number of incomplete transcripts with heterogeneous 3' ends. We further show that the accumulation of these short RNAs is mainly due to the intrinsically low processivity of the Mtb transcription machinery rather than trans-acting factors such as Rho. Finally, we demonstrate that transcription-translation coupling plays a critical role in generating full-length protein-coding transcripts in Mtb. In sum, our results depict a mycobacterial transcriptome that is dominated by incomplete RNA products, suggesting a distinctive set of transcriptional regulatory mechanisms that could be exploited for new therapeutics.

ABSTRACT The numerous enzymes and cofactors involved in eukaryotic DNA replication are conserved from yeast to human, and the budding yeast Saccharomyces cerevisiae (S.c.) has been a useful model organism for these studies. However, there is a gap in our knowledge of why replication origins in higher eukaryotes do not use a consensus DNA sequence as found in S.c.. Using in vitro reconstitution and single-molecule visualization, we show here that S.c. origin recognition complex (ORC) stably binds nucleosomes and that ORC-nucleosome complexes have the intrinsic ability to load the replicative helicase MCM double hexamers onto adjacent nucleosome-free DNA regardless of sequence. Furthermore, we find that Xenopus laevis nucleosomes can substitute for yeast ones in engaging with ORC. Combined with new analysis of genome-wide ORC binding, our results lead us to propose that the yeast origin recognition machinery contains the cryptic capacity to bind nucleosomes near a nucleosome-free region and license origins, and that this nucleosome-directed origin licensing paradigm generalizes to all eukaryotes.

Abstract Methyl-CpG-binding protein 2 (MeCP2) is an essential chromatin-binding protein whose mutations cause Rett syndrome (RTT), a leading cause of monogenic intellectual disabilities in females. Despite its significant biomedical relevance, the mechanism by which MeCP2 navigates the chromatin epigenetic landscape to regulate chromatin structure and gene expression remains unclear. Here, we used correlative single-molecule fluorescence and force microscopy to directly visualize the distribution and dynamics of MeCP2 on a variety of DNA and chromatin substrates. We found that MeCP2 exhibits differential diffusion dynamics when bound to unmethylated and methylated bare DNA. Moreover, we discovered that MeCP2 preferentially binds nucleosomes within the context of chromatinized DNA and stabilizes them from mechanical perturbation. The distinct behaviors of MeCP2 at bare DNA and nucleosomes also specify its ability to recruit TBLR1, a core component of the NCoR1/2 co-repressor complex. We further examined several RTT mutations and found that they disrupt different aspects of the MeCP2-chromatin interaction, rationalizing the heterogeneous nature of the disease. Our work reveals the biophysical basis for MeCP2’s methylation-dependent activities and suggests a nucleosome-centric model for its genomic distribution and gene repressive functions. These insights provide a framework for delineating the multifaceted functions of MeCP2 and aid in our understanding of the molecular mechanisms of RTT.

The actin cytoskeleton mediates mechanical coupling between cells and their tissue microenvironments. The architecture and composition of actin networks are modulated by force, but it is unclear how interactions between actin filaments (F-actin) and associated proteins are mechanically regulated. Here, we employ both optical trapping and biochemical reconstitution with myosin motor proteins to show force greater than one piconewton applied solely to F-actin enhances binding by the essential cell-cell adhesion protein αE-catenin, but not its homolog vinculin. Near atomic-resolution cryo-electron microscopy structures of both proteins bound to F-actin reveal unique rearrangements that facilitate their flexible C-termini refolding to engage distinct interfaces. Truncating α-catenin's C-terminus eliminates force-activated F-actin binding, and addition of this motif to vinculin confers force-activated binding, demonstrating that α-catenin's C-terminus is a modular detector of F-actin tension. Our studies establish that piconewton force on F-actin can enhance partner binding, which we propose mechanically regulates cellular adhesion through α-catenin.

Abstract Formation of biomolecular condensates constitutes an emerging mechanism for transcriptional regulation. Recent studies suggest that the co-condensation between transcription factors (TFs) and DNA can generate mechanical forces driving genome rearrangements. However, the reported forces generated by such protein-DNA co-condensation are typically below one piconewton (pN), questioning its physiological significance. Moreover, the force-generating capacity of these condensates in the chromatin context remains unknown. Using single-molecule biophysical techniques, we show that Sox2, a nucleosome-binding pioneer TF, forms co-condensates with DNA, thereby exerting considerable mechanical tension on DNA strands both in cis and trans . Sox2 can generate forces up to 7 pN—similar in magnitude to other cellular forces. Sox2:DNA condensates are highly stable, withstanding disruptive forces high enough to melt DNA. We find that the disordered domains of Sox2 are required for maximum force generation but not condensate formation per se. Finally, we show that nucleosomes dramatically attenuate the mechanical stress exerted by Sox2 via sequestering it from coalescing on bare DNA. Our findings reveal that TF-mediated DNA condensation can exert significant mechanical stress which can nonetheless be alleviated by the chromatin organization, suggesting a new function of eukaryotic chromatin in protecting the genome from potentially deleterious nuclear forces.

Polycomb repressive complex 2 (PRC2) maintains transcriptionally silent heterochromatin by installing and spreading repressive histone methylation marks along nucleosome arrays. Despite extensive research, the mechanism by which PRC2 engages with chromatin remains incompletely understood. Here we employ single-molecule force spectroscopy and molecular dynamics simulations to dissect the interactions of PRC2 with polynucleosome substrates. Our results reveal an unexpectedly diverse repertoire of PRC2 binding configurations on chromatin. Besides interacting with bare DNA, mononucleosomes, and neighboring nucleosome pairs, PRC2 is also found to bridge non-adjacent nucleosomes, an activity associated with chromatin compaction. Furthermore, the distribution and stability of these PRC2-chromatin interaction modes are differentially modulated by accessory PRC2 cofactors, oncogenic histone mutations, and the methylation state of chromatin. Overall, this work provides a paradigm for understanding the physical basis of epigenetic maintenance mediated by Polycomb group proteins.