NAD depletion as pathogen response One way that plants respond to pathogen infection is by sacrificing the infected cells. The nucleotide-binding leucine-rich repeat immune receptors responsible for this hypersensitive response carry Toll/interleukin-1 receptor (TIR) domains. In two papers, Horsefield et al. and Wan et al. report that these TIR domains cleave the metabolic cofactor nicotinamide adenine dinucleotide (NAD + ) as part of their cell-death signaling in response to pathogens. Similar signaling links mammalian TIR-containing proteins to NAD + depletion during Wallerian degeneration of neurons. Science , this issue p. 793 , p. 799

Abstract TIR domains are signalling domains present in plant nucleotide-binding leucine-rich repeat receptors (NLRs), with key roles in plant innate immunity. They are required for the induction of a hypersensitive response (HR) in effector-triggered immunity, but the mechanism by which this occurs is not yet fully understood. It has been recently shown that the TIR domains from several plant NLRs possess NADase activity. The oligomeric structure of TIR-containing NLRs ROQ1 and RPP1 reveals how the TIR domains arrange into an active conformation, but low resolution around the NAD + binding sites leaves questions unanswered about the molecular mechanisms linking self-association and NADase activity. In this study, a number of crystal structures of the TIR domain from the grapevine NLR RUN1 reveal how self-association and enzymatic activity may be linked. Structural features previously proposed to play roles involve the “AE interface” (mediated by helices A and E), the “BB-loop” (connecting β-strand B and helix B in the structure), and the “BE interface” (mediated by the BB-loop from one TIR and the “DE surface” of another). We demonstrate that self-association through the AE interface induces conformational changes in the NAD + -binding site, shifting the BB-loop away from the catalytic site and allowing NAD + to access the active site. We propose that an intact “DE surface” is necessary for production of the signalling product (variant cyclic ADPR), as it constitutes part of the active site. Addition of NAD + or NADP + is not sufficient to induce self-association, suggesting that NAD + binding occurs after TIR self-association. Our study identifies a mechanistic link between TIR self-association and NADase activity.

Abstract Cyclic ADP ribose (cADPR) isomers are important signaling molecules produced by bacterial and plant Toll/interleukin-1 receptor (TIR) domains via NAD + hydrolysis, yet their chemical structures are unknown. We show that v-cADPR (2’cADPR) and v2-cADPR (3’cADPR) isomers are cyclized by O -glycosidic bond formation between the ribose moieties in ADPR. Structures of v-cADPR (2’cADPR)-producing TIR domains reveal that conformational changes are required for the formation of the active assembly that resembles those of Toll-like receptor adaptor TIR domains, and mutagenesis data demonstrate that a conserved tryptophan is essential for cyclization. We show that v2-cADPR (3’cADPR) is a potent activator of ThsA effector proteins from Thoeris anti-phage defence systems and is responsible for suppression of plant immunity by the effector HopAM1. Collectively, our results define new enzymatic activities of TIR domains, reveal the molecular basis of cADPR isomer production, and establish v2-cADPR (3’cADPR) as an antiviral signaling molecule and an effector-mediated signaling molecule for plant immunity suppression. One-Sentence Summary The chemical structures of two O -glycosidic bond-containing cyclic ADP ribose isomers, the molecular basis of their production, and their function in antiviral and plant immunity suppression by bacteria are reported.

Abstract Eukaryotes have a multitude of diverse mechanisms for organising and using their genomes, but the histones that make up chromatin are highly conserved. Unusually, histones from kinetoplastids are highly divergent. The structural and functional consequences of this variation are unknown. Here, we have biochemically and structurally characterised nucleosome core particles (NCPs) from the kinetoplastid parasite Trypanosoma brucei . A structure of the T. brucei NCP reveals that global histone architecture is conserved, but specific sequence alterations lead to distinct DNA and protein interaction interfaces. The T. brucei NCP is unstable and has weakened overall DNA binding. However, dramatic changes at the H2A-H2B interface introduce local reinforcement of DNA contacts. The T. brucei acidic patch has altered topology and is refractory to known binders, indicating that the nature of chromatin interactions in T. brucei may be unique. Overall, our results provide a detailed molecular basis for understanding evolutionary divergence in chromatin structure.

DNA methyltransferase 3A (DNMT3A) plays a critical role in establishing and maintaining DNA methylation patterns. However, the mechanisms underlying DNMT3A recruitment to and function within different chromatin environments remain unclear. Using a combination of biochemical and structural approaches we find that DNMT3A interacts using multiple interfaces with chromatin; directly binding generic nucleosome features as well as site-specific post-translational histone modifications. The N-terminal region, unique to the DNMT3A1 isoform, is essential for these interactions and stabilises H3K36me2-nucleosome recruitment. Intriguingly, in the same region critical for nucleosome binding we also map a ubiquitylation-dependent recruitment motif (UDR). The UDR binds specifically to ubiquitylated H2AK119, explaining the previously observed recruitment to Polycomb-occupied heterochromatin. A cryo-EM structure of DNMT3A1-DNMT3L with a modified nucleosome reveals that the UDR interacts with the nucleosome surface including the acidic patch. Previously unexplained disease-associated mutations are present in the UDR and ablate nucleosome interactions. This leads to an increased understanding of how DNMT3A1 recruitment occurs in the genome and highlights the importance of multivalent binding of DNMT3A to histone modifications and the nucleosome.

ABSTRACT Chromatin association of the BRCA1-BARD1 heterodimer is critical to promote homologous recombination repair of DNA double-strand breaks (DSBs) in S/G2. How the BRCA1-BARD1 complex interacts with chromatin that contains both damage induced histone H2A ubiquitin and inhibitory H4AK20 methylation is not fully understood. We characterised BRCA1-BARD1 binding and enzymatic activity to an array of mono- and di-nucleosome substrates using biochemical, structural, and single molecule imaging approaches. We find that the BRCA1-BARD1 complex preferentially interacts and modifies di-nucleosomes over mono-nucleosomes, allowing integration of H2A Lys-15 ubiquitylation signals with other chromatin modifications and features. Using high speed-AFM to provide real-time visualization of BRCA1-BARD1 complex recognising chromatin, we show a highly dynamic complex that bridges two nucleosomes and associates with the DNA linker region. Bridging is aided by multivalent cross-nucleosome interactions that enhance BRCA1-BARD1 E3 ubiqiutin ligase catalytic activity. Multivalent interactions across nucleosomes explains how BRCA1-BARD1 can recognize chromatin that retains partial di-methylation at H4 Lys-20 (H4K20me2), a parental histone mark that blocks BRCA1-BARD1 interaction with nucleosomes, to promote its enzymatic and DNA repair activities.