Abstract Polycomb (Pc) group proteins are transcriptional regulators with key roles in development, cell identity and differentiation. Pc-bound chromatin regions form repressive domains that interact in 3D to assemble repressive nuclear compartments. Here, we used multiplexed chromatin imaging to investigate whether Pc compartments involve the clustering of multiple Pc domains during Drosophila development. Notably, 3D proximity between Pc targets is rare and involves predominantly pairwise interactions. These 3D proximities are particularly enhanced in segments where Pc genes are co-repressed. In addition, segment-specific expression of Hox Pc targets leads to their spatial segregation from Pc repressed genes. Finally, non-Hox Pc targets are proximal in regions where they are co-expressed. These results indicate that long-range Pc interactions are temporally and spatially regulated during differentiation and development but do not involve clustering of multiple distant Pc genes.

Abstract Bacterial ParB partitioning proteins involved in chromosomes and low-copy-number plasmid segregation have recently been shown to belong to a new class of CTP-dependent molecular switches. Strikingly, CTP binding and hydrolysis was shown to induce a conformational change enabling ParB dimers to switch between an open and a closed conformation. This latter conformation clamps ParB dimers on DNA molecules, allowing their diffusion in one dimension along the DNA. It has been proposed that this novel sliding property may explain the spreading capability of ParB over more than 10-Kb from parS centromere sites where ParB is specifically loaded. Here, we modeled such a mechanism as a typical reaction-diffusion system and compared this ‘Clamping & sliding’ model to the ParB DNA binding pattern from high-resolution ChIP-sequencing data. We found that this mechanism cannot account for all the in vivo characteristics, especially the long range of ParB binding to DNA. In particular, it predicts a strong effect from the presence of a roadblock on the ParB binding pattern that is not observed in ChIP-seq. Moreover, the rapid assembly kinetics observed in vivo after the duplication of parS sites is not easily explained by this mechanism. We propose that ‘Clamping & sliding’ might explain the ParB spreading pattern at short distances from parS but that another mechanism must apply for ParB recruitment at larger genomic distances.

Summary In bacteria, faithful DNA segregation of chromosomes and plasmids is mainly mediated by ParABS systems. These systems, consisting of a ParA ATPase, a DNA binding ParB CTPase, and centromere sites parS , orchestrate the separation of newly replicated DNA copies and their intracellular positioning. Accurate segregation relies on the assembly of a high-molecular-weight complex, comprising a few hundreds of ParB dimers nucleated from parS sites. This complex assembles in a multi-step process and exhibits dynamic liquid-droplet properties. Despite various proposed models, the complete mechanism for partition complex assembly remains elusive. This study investigates the impact of DNA supercoiling on ParB DNA binding profiles in vivo , using the ParABS system of the plasmid F. We found that variations in DNA supercoiling does not significantly affect any steps in the assembly of the partition complex. Furthermore, physical modeling, leveraging ChIP-seq data from linear plasmids F, suggests that ParB sliding is restricted to approximately 2-Kbp from parS , highlighting the necessity for additional mechanisms beyond ParB sliding over DNA for concentrating ParB into condensates nucleated at parS . Lastly, explicit simulations of a polymer coated with bound ParB suggest a dominant role for ParB-ParB interactions in DNA compaction within ParB condensates.

The bacterial flagellar motor (BFM) is the membrane-embedded rotary molecular motor which turns the flagellum that provides thrust to many bacterial species. This large multimeric complex, composed of a few dozen constituent proteins, has emerged as a hallmark of dynamic subunit exchange. The stator units are inner-membrane ion channels which dynamically bind and unbind to the peptidoglycan at the rotor periphery, consuming the ion motive force (IMF) and applying torque to the rotor when bound. The dynamic exchange is known to be a function of the viscous load on the flagellum, allowing the bacterium to dynamically adapt to its local viscous environment, but the molecular mechanisms of exchange and mechanosensitivity remain to be revealed. Here, by actively perturbing the steady-state stator stoichiometry of individual motors, we reveal a stoichiometry-dependent asymmetry in stator remodeling kinetics. We interrogate the potential effect of next-neighbor interactions and local stator unit depletion and find that neither can explain the observed asymmetry. We then simulate and fit two mechanistically diverse models which recapitulate the asymmetry, finding stator assembly dynamics to be particularly well described by a two-state catch-bond mechanism.

Abstract In bacteria, faithful DNA segregation of chromosomes and plasmids is mainly mediated by ParABS systems. These systems, consisting of a ParA ATPase, a DNA binding ParB CTPase, and centromere sites parS , orchestrate the separation of newly replicated DNA copies and their intracellular positioning. Accurate segregation relies on the assembly of a high‐molecular‐weight complex, comprising a few hundreds of ParB dimers nucleated from parS sites. This complex assembles in a multi‐step process and exhibits dynamic liquid‐droplet properties. Despite various proposed models, the complete mechanism for partition complex assembly remains elusive. This study investigates the impact of DNA supercoiling on ParB DNA binding profiles in vivo, using the ParABS system of the plasmid F. We found that variations in DNA supercoiling does not significantly affect any steps in the assembly of the partition complex. Furthermore, physical modeling, leveraging ChIP‐seq data from linear plasmids F, suggests that ParB sliding is restricted to approximately 2 Kbp from parS , highlighting the necessity for additional mechanisms beyond ParB sliding over DNA for concentrating ParB into condensates nucleated at parS . Finally, explicit simulations of a polymer coated with bound ParB suggest a dominant role for ParB‐ParB interactions in DNA compaction within ParB condensates.

Chromosome and plasmid segregation in bacteria are mostly driven by ParABS systems. These DNA partitioning machineries rely on large nucleoprotein complexes assembled on centromere sites (parS). However, the mechanism of how a few parS-bound ParB proteins nucleate the formation of highly concentrated ParB clusters remains unclear despite several proposed physico-mathematical models. We discriminated between these different models by varying some key parameters in vivo using the plasmid F partition system. We found that "Nucleation & caging" is the only coherent model recapitulating in vivo data. We also showed that the stochastic self-assembly of partition complexes (i) does not directly involve ParA, (ii) results in a dynamic structure of discrete size independent of ParB concentration, and (iii) is not perturbed by active transcription but is by protein complexes. We refined the "Nucleation & caging" model and successfully applied it to the chromosomally-encoded Par system of Vibrio cholerae, indicating that this stochastic self-assembly mechanism is widely conserved from plasmids to chromosomes.

Recent advances in experimental fluorescence microscopy allow high accuracy determination (resolution of 50 nm ) of the 3D physical location of multiple (up to ∼ 10 2 ) tagged regions of the chromosome. We investigate publicly available microscopy data for two loci of the human Chr.21 obtained from multiplexed FISH methods for different cell lines and treatments. Inspired by polymer physics models, our analysis centers around distance distributions between different tags, aiming to unravel the chromatin conformational arrangements. We show that for any specific genomic site, there are (at least) two different conformational arrangements of chromatin, implying coexisting distinct topologies which we refer to as phase α and phase β . These two phases show different scaling behaviors: the former is consistent with a crumpled globule while the latter indicates a confined, but more extended conformation, as a looped domain. The identification of these distinct phases sheds light on the coexistence of multiple chromatin topologies and provides insights into the effects of cellular context and/or treatments on chromatin structure.

Liquid-liquid phase separated (LLPS) states are key to compartmentalise components in the absence of membranes, however it is unclear whether LLPS condensates are actively and specifically organized in the sub-cellular space and by which mechanisms. Here, we address this question by focusing on the ParABS DNA segregation system, composed of a centromeric-like sequence (parS), a DNA-binding protein (ParB) and a motor (ParA). We show that parS-ParB associate to form nanometer-sized, round condensates. ParB molecules diffuse rapidly within the nucleoid volume, but display confined motions when trapped inside ParB condensates. Single ParB molecules are able to rapidly diffuse between different condensates, and nucleation is strongly favoured by parS. Notably, the ParA motor is required to prevent the fusion of ParB condensates. These results describe a novel active mechanism that splits, segregates and localises non-canonical LLPS condensates in the sub-cellular space.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.