Abstract Despite histone tails’ critical roles in epigenetic regulation, little is known about mechanisms of how histone tails modulate the nucleosomal DNA solvent accessibility and recognition of nucleosomes by other macromolecules. Here we generate extensive atomic level conformational ensembles of histone tails in the context of the full human nucleosome, totaling 26 microseconds of molecular dynamics simulations. We explore the histone tail binding with the nucleosomal and linker DNA and observe rapid conformational transitions between bound and unbound states allowing us to estimate kinetic and thermodynamic properties of the histone tail-DNA interactions. Different histone types exhibit distinct, although conformationally heterogeneous, binding modes and each histone type occludes specific DNA regions from the solvent. Using a comprehensive set of experimental data on nucleosome structural complexes, we find that majority of the studied nucleosome-binding proteins and histone tails target mutually exclusive regions on nucleosomal or linker DNA around the super-helical locations ±1, ±2, and ±7. This finding is explained within the generalized competitive binding and tail displacement models of partners recruitment to nucleosomes. Finally, we demonstrate the crosstalk between different histone post-translational modifications, where charge-altering modifications and mutations typically suppress tail-DNA interactions and enhance histone tail dynamics.

Abstract Cytosine methylation at the 5-carbon position is an essential DNA epigenetic mark in many eukaryotic organisms. Although countless structural and functional studies of cytosine methylation have been reported in both prokaryotes and eukaryotes, our understanding of how it influences the nucleosome assembly, structure, and dynamics remains obscure. Here we investigated the effects of cytosine methylation at CpG sites on nucleosome dynamics and stability. By applying long molecular dynamics simulations (five microsecond long trajectories, 60 microseconds in total), we generated extensive atomic level conformational full nucleosome ensembles. Our results revealed that methylation induces pronounced changes in geometry for both linker and nucleosomal DNA, leading to a more curved, under-twisted DNA, shifting the population equilibrium of sugar-phosphate backbone geometry. These conformational changes are associated with a considerable enhancement of interactions between methylated DNA and the histone octamer, doubling the number of contacts at some key arginines. H2A and H3 tails play important roles in these interactions, especially for DNA methylated nucleosomes. This, in turn, prevents a spontaneous DNA unwrapping of 3-4 helical turns for the methylated nucleosome with truncated histone tails, otherwise observed in the unmethylated system on several microsecond time scale.

Abstract Nucleosomes represent elementary building units of eukaryotic chromosomes and consist of DNA wrapped around a histone octamer flanked by linker DNA segments. Nucleosomes are central in epigenetic pathways and their genomic positioning is associated with regulation of gene expression, DNA replication, DNA methylation and DNA repair, among other functions. Building on prior discoveries, that DNA sequences noticeably affect nucleosome positioning, our objective is to identify nucleosome positions and related features across entire genome. Here we introduce an interpretable framework based on the concepts of deep residual networks (NuPose). Trained on high-coverage human experimental MNase-seq data, NuPose is able to learn sequence and structural patterns and their dependencies associated with nucleosome organization in human genome. NuPoSe can be used to identify nucleosomal regions, not covered by experiments, and be applied to unseen data from different organisms and cell types. Our findings point to 43 informative DNA sequence features, most of them constitute tri-nucleotides, di-nucleotides and one tetra-nucleotide. Most features are significantly associated with the structural characteristics, namely, periodicity of nucleosomal DNA and its location with respect to a histone octamer. Importantly, we show that linker DNA features contribute ∼10% to the quality of the prediction model, which together with comprehensive training sets, deep-learning architecture and feature selection may explain the advanced performance of NuPose of 80-89% accuracy.

Abstract The nucleosome serves as the fundamental unit of chromatin organization, with electrostatic interactions acting as the driving forces in the folding of nucleosomes into chromatin. Perturbations in cellular pH conditions can lead to changes in the protonation states of titratable histone residues, impacting nucleosome surface electrostatic potentials and interactions. However, the effects of proton uptake or release of histone ionizable groups on nucleosome-partner protein interactions and higher-order chromatin structures remain largely unexplored. Here, we conducted comprehensive analyses of histone titratable residue pKa values in various nucleosome contexts, utilizing 96 experimentally determined structures. We revealed that pH-induced changes in histone residue protonation states modulated nucleosome surface electrostatic potentials and significantly influenced nucleosome-partner protein interactions. Furthermore, we observed that proton uptake or release often accompanied nucleosome-partner protein interactions, facilitating their binding processes. Additionally, using a dataset of 1266 recurrent histone cancer mutations, we systematically characterized their impact on nucleosome surface electrostatics, demonstrating their profound effects on electrostatic interactions between nucleosomes and partner proteins. Finally, our findings suggest that alterations in histone protonation or cancer mutations can also regulate nucleosome self-association, thereby modulating the organization and dynamics of higher-order chromatin structure.

SUMMARY Essential E3 ubiquitin ligase HUWE1 (HECT, UBA and WWE domain containing 1) regulates key factors, as p53. Mutations in HUWE1 have been associated with neurodevelopmental X-linked intellectual disabilities (XLIDs), however the pathomechanism at the onset of heterogenous XLIDs remains unknown. In this work, we identify p53 signaling as the process hyperactivated in lymphoblastoid cells from patients with HUWE1-promoted XLIDs. The hiPSCs-based modeling of the severe HUWE1-promoted XLID, the Juberg Marsidi syndrome (JMS), reviled majorly impaired neural differentiation, accompanied by increased p53 signaling. The impaired differentiation results in loss of cortical patterning and overall undergrowth of XLID JMS patient-specific cerebral organoids, thus closely recapitulating key symptoms, as microcephaly. Importantly, the neurodevelopmental potential of JMS hiPSCs is successfully rescued by restoring p53 signaling, upon reduction of p53 levels. In summary, our findings indicate that increased p53 signaling leads to impaired neural differentiation and is the common cause of neurodevelopmental HUWE1-promoted XLIDs.

Wrapping of DNA into nucleosomes restricts accessibility to the DNA and may affect the recognition of binding motifs by transcription factors. A certain class of transcription factors, the pioneer transcription factors, can specifically recognize their DNA binding sites on nucleosomes , initiate local chromatin opening and facilitate the binding of co-factors in a cell-type-specific manner. For the majority of human pioneer transcription factors, the locations of their binding sites, mechanisms of binding and regulation remain unknown. We have developed a computational method to predict the cell-type-specific ability of transcription factors to bind nucleosomes by integrating ChIP-seq, MNase-seq and DNase-seq data with details of nucleosome structure. We have demonstrated the ability of enrichment scores in discriminating pioneer from canonical transcription factors and predicted new potential pioneer transcription factors in H1, K562, HepG2 and HeLa cell lines. Lastly, we systemically analyzed the interaction modes between various pioneer transcription factors and detected several clusters of distinctive binding sites on nucleosomal DNA.

Antimicrobial peptides (AMPs) represent a promising antibiotic alternative to overcome drug-resistant bacteria by inserting into the membrane of bacteria, resulting in cell lysis. However, therapeutic applications of AMPs have been hindered by their ability to lyse eukaryotic cells. GF-17 is a truncated peptide of LL-37, which has perfect amphipathicity and a higher hydrophobicity, resulting in higher haemolytic activity. However, there is no significant difference in the cytotoxicity against human lung epithelial cells between the GF-17 and LL-37 groups, indicating that there are significant differences in the sensitivity of different human cells to GF-17. In this study, LL-37 and GF-17 were administered to mouse lungs via intranasal inoculation. Blood routine examination results showed that LL-37 did not affect the red blood cells, platelet, white blood cells and neutrophil counts, but GF-17 decreased the white blood cells and neutrophil counts with the increasing concentration of peptides. GF-17-treated mice suffer a body weight loss of about 2.3 g on average in 24 h, indicating that GF-17 is highly toxic to mice. The total cell counts in the bronchoalveolar lavage fluid from GF-17-treated mice were 4.66-fold that in the untreated group, suggesting that GF-17 treatment leads to inflammation in the lungs of mice. Similarly, the histological results showed the infiltration of neutrophils in the lungs of GF-17-treated mice. The results suggest that the administration of GF-17 in the lungs of mice does not affect the red blood cells and platelet counts in the blood but promotes neutrophil infiltration in the lungs, leading to an inflammatory response. Therefore, we established a mouse acute lung injury model to preliminarily evaluate the in vivo toxicity of AMPs. For AMPs with a clinical application value, systematic research is still needed to evaluate their acute and long-term toxicity.