Abstract In single-molecule localization based super-resolution microscopy (SMLM), a fluorophore stochastically switches between fluorescent- and dark-states, leading to intermittent emission of fluorescence, a phenomenon known as blinking. Intermittent emissions create multiple localizations belonging to the same molecule, resulting in blinking-artifacts within SMLM images. These artifacts are often interpreted as true biological assemblies, confounding quantitative analyses and interpretations. Multiple methods have been developed to eliminate these artifacts, but they either require additional experiments, arbitrary thresholds, or specific photo-kinetic models. Here we present a method, termed Distance Distribution Correction (DDC), to eliminate blinking-caused repeat localizations without any additional calibrations. The approach relies on the finding that the true pairwise distance distribution of different fluorophores in an SMLM image can be naturally obtained from the imaging sequence by using distances between localizations separated by a time much longer than the average fluorescence survival time. We show that using the true pairwise distribution we can define and then maximize the likelihood of obtaining a particular set of localizations void of blinking-artifacts, generating an accurate reconstruction of the underlying cellular structure. Using both simulated and experimental data, we show that DDC surpasses all previous existing blinking-artifact correction methodologies, resulting in drastic improvements in obtaining the closest estimate of the true spatial organization and number of fluorescent emitters in a wide range of applications. The simplicity and robustness of DDC will allow it to become the field standard in SMLM imaging, enabling the most accurate reconstruction and quantification of SMLM images to date.

Abstract Anthracyclines are a class of widely prescribed anti-cancer drugs that disrupt chromatin by intercalating into DNA and enhancing nucleosome turnover. To understand the molecular consequences of anthracycline-mediated chromatin disruption, we utilized CUT&Tag to profile RNA polymerase II during anthracycline treatment in Drosophila cells. We observed that treatment with the anthracycline aclarubicin leads to elevated levels of elongating RNA polymerase II and changes in chromatin accessibility. We found that promoter proximity and orientation impacts chromatin changes during aclarubicin treatment, as closely spaced divergent promoter pairs show greater chromatin changes when compared to codirectionally-oriented tandem promoters. We also found that aclarubicin treatment changes the distribution of non-canonical DNA G-quadruplex structures both at promoters and at G-rich pericentromeric repeats. Our work suggests that the anti-cancer activity of aclarubicin is driven by the effects of nucleosome disruption on RNA polymerase II, chromatin accessibility and DNA structures.

One Sentence Summary DNA replication establishes asymmetric epigenomes Summary One of the most fundamental questions in developmental biology concerns how cells with identical genomes differentiate into distinct cell types. One important context for understanding cell fate specification is asymmetric cell division, where the two daughter cells establish different cell fates following a single division. Many stem cells undergo asymmetric division to produce both a self-renewing stem cell and a differentiating daughter cell 1–5 . Here we show that histone H4 is inherited asymmetrically in asymmetrically dividing Drosophila male germline stem cells, similar to H3 6 . In contrast, both H2A and H2B are inherited symmetrically. By combining superresolution microscopy with the chromatin fiber method, we are able to study histone inheritance patterns on newly replicated chromatin fibers. Using this technique, we find asymmetric inheritance patterns for old and new H3, but symmetric inheritance patterns for old and new H2A on replicating sister chromatids. Furthermore, co-localization studies on isolated chromatin fibers and proximity ligation assays on intact nuclei reveal that old H3 are preferentially incorporated by the leading strand while newly synthesized H3 are enriched on the lagging strand. Finally, using a sequential nucleoside analog incorporation assay, we detect a high incidence of unidirectional DNA replication on germline-derived chromatin fibers and DNA fibers. The unidirectional fork movement coupled with the strand preference of histone incorporation could explain how old and new H3 are asymmetrically incorporated by replicating sister chromatids. In summary, our work demonstrates that the intrinsic asymmetries in DNA replication may help construct sister chromatids enriched with distinct populations of histones. Therefore, these results suggest unappreciated roles for DNA replication in asymmetrically dividing cells in multicellular organisms.

Abstract Stem cells undergo asymmetric division to produce both a self-renewing stem cell and a differentiating daughter cell. During Drosophila male germline stem cell (GSC) asymmetric division, preexisting old histones H3 and H4 are enriched in the self-renewed stem daughter cell, whereas the newly synthesized H3 and H4 are enriched in the differentiating daughter cell. However, the biological consequences in the two daughter cells resulting from asymmetric histone inheritance remained to be elucidated. In this work, we track both old and new histones throughout GSC cell cycle using high spatial and temporal resolution microscopy. We find several unique features differentiating old versus new histone-enriched sister chromatids, including nucleosome density, chromosomal condensation, and H3 Ser10 phosphorylation. These distinct chromosomal features lead to their differential association with Cdc6, an essential component of the pre-replication complex, which subsequently contributes to asynchronous initiation of DNA replication in the two resulting daughter cells. Disruption of asymmetric histone inheritance abolishes both differential Cdc6 association and asynchronous S-phase entry, demonstrating that asymmetric histone acts upstream of these critical events during cell cycle progression. Furthermore, GSC defects are detected under these conditions, indicating a connection between histone inheritance, cell cycle progression and cell fate decision. Together, these studies reveal that cell cycle remodeling as a crucial biological ‘readout’ of asymmetric histone inheritance, which precedes and could lead to other well-known readouts such as differential gene expression. This work also enhances our understanding of asymmetric histone inheritance and epigenetic regulation in other stem cells or asymmetrically dividing cells in multicellular organisms.

Stem cells display asymmetric histone inheritance while non-stem progenitor cells exhibit symmetric patterns in the Drosophila male germline lineage. Here, we report that components involved in lagging strand synthesis, such as DNA polymerase α and δ (Polα and Polδ), have significantly reduced levels in stem cells compared to progenitor cells. Compromising Polα genetically induces the replication-coupled histone incorporation pattern in progenitor cells to be indistinguishable from that in stem cells, which can be recapitulated using a Polα inhibitor in a concentration-dependent manner. Furthermore, stem cell-derived chromatin fibers display a higher degree of old histone recycling by the leading strand compared to progenitor cell-derived chromatin fibers. However, upon reducing Polα levels in progenitor cells, the chromatin fibers now display asymmetric old histone recycling just like GSC-derived fibers. The old versus new histone asymmetry is comparable between stem cells and progenitor cells at both S-phase and M-phase. Together, these results indicate that developmentally programmed expression of key DNA replication components is important to shape stem cell chromatin. Furthermore, manipulating one crucial DNA replication component can induce replication-coupled histone dynamics in non-stem cells in a manner similar to that in stem cells.

Abstract In human, intradermal administration of β-alanine (ALA) and bovine adrenal medulla peptide 8-22 (BAM8-22) evokes the sensation of itch. Currently, it is unknown which human dorsal root ganglion (DRG) neurons express the receptors of these pruritogens, MRGPRD and MRGPRX1 respectively, and which cutaneous afferents these pruritogens activate in primate. In situ hybridization studies revealed that MRGPRD and MRGPRX1 are co-expressed in a subpopulation of TRPV1+ human DRG neurons. In electrophysiological recordings in nonhuman primates (Macaca nemestrina), subtypes of polymodal C-fiber nociceptors are preferentially activated by ALA and BAM8-22, with significant overlap. When pruritogens ALA, BAM8-22 and histamine, that activate different subclasses of C-fiber afferents, are administered in combination, human volunteers report itch and nociceptive sensations similar to those induced by a single pruritogen. Our results provide evidence for differences in pruriceptive processing between primates and rodents, and do not support the spatial contrast theory of coding of itch and pain.