ABSTRACT The CRISPR-associated protein Cas9 is a widely used genome editing tool that recognizes and cleaves target DNA through the assistance of a single-guide RNA (sgRNA). Structural studies have demonstrated the multi-domain architecture of Cas9 and sequential domain movements upon binding to the sgRNA and the target DNA. These studies also hinted at the flexibility between domains, but whether these flexible movements occur in solution is unclear. Here, we directly observed dynamic fluctuations of multiple Cas9 domains, using single-molecule FRET. The flexible domain movements allow Cas9 to adopt transient conformations beyond those captured in the crystal structures. Importantly, the HNH nuclease domain in Cas9 only accessed the DNA cleavage position during such flexible movements, suggesting the importance of this flexibility in the DNA cleavage process. Our FRET data also revealed the conformational flexibility of apo-Cas9, which may play a role in the assembly with the sgRNA. Collectively, our results highlight the potential role of domain fluctuations in driving Cas9-catalyzed DNA cleavage.

Abstract The hidden Markov model (HMM) is widely used to analyze biophysical chronological data with discrete states, such as binding/detachment of biomolecules, protein/nucleotide conformational changes and step-like movement of single proteins. Despite its usefulness, classical HMM fitting has practical drawbacks that it requires the determination of the number of hidden states and fine initialization of many parameters before fitting. To overcome these drawbacks, several HMM pre-analyses have been reported, but do not provide enough accuracy when data have unknown kinetics and/or low signal-to-noise ratio. Therefore, in many cases, HMM fitting needs trial-and-error manual process that can impair the objectivity of the analysis. Moreover, for data composed of numerous hidden states, such as stepping data of cytoskeletal motors, there has been difficulty in HMM analysis because the large number of parameters were hardly properly initialized. Here, by combining a statistical step-finding method and the Gaussian mixture model clustering, we developed a new algorithm for more objective HMM analysis. Our algorithm can execute accurate state number estimation and parameter optimization with fully automated way. Simulation analysis demonstrated that our algorithm accurately fit both fast- and slow-transition trajectories. Compared with the previous method, the speed of our algorithm was 10–20 times faster for standard size data. Our algorithm also showed the accurate fit of the simulated motor-stepping data with more than 10 transition states, suggesting the applicability of the method to the data with numerous states. Furthermore, the algorithm is flexible enough to cope with cases where some kinetics are known in advance. Some available prior information, such as the dwell time of each state, can be integrated into the algorithm via two user-tunable parameters. In summary, our method enables fast, accurate and objective HMM analysis, and broadens the application range of HMM fitting that can provide more accurate interpretation of a wide variety of biophysical data.

Abstract Second-harmonic generation (SHG) is a nonlinear coherent scattering process that is sensitive to molecular structures in illuminated materials. We report SHG polarization measurement for the detection of protein conformational changes in solutions of macromolecular protein assemblies such as microtubules and protein crystals. The results illustrate the potential of this method for protein structural analysis in physiological solutions at room temperature without labelling.

ABSTRACT Telomerase reverse transcriptase (TERT) is a protein that catalyzes the reverse transcription of telomere elongation. TERT is also expected to play a noncanonical role beyond telomere lengthening since it localizes not only in the nucleus but also in mitochondria, where telomeres do not exist. Several studies have reported that mitochondrial TERT regulates apoptosis induced by oxidative stress. However, there remains controversy about whether mitochondrial TERT promotes or inhibits apoptosis, mainly due to the lack of information on changes in the TERT distribution in individual cells over time. Here we simultaneously detected apoptosis and TERT localization after oxidative stress in individual HeLa cells by live-cell tracking. This tracking revealed that the stress-induced accumulation of TERT in mitochondria caused apoptosis but that the accumulation positively correlated with the time until cell death. The results suggest a new model in which mitochondrial TERT has two opposing effects at different stages of apoptosis: it predetermines apoptosis at the first stage of cell-fate determination but also delays apoptosis at the second stage. Because these distinct effects respectively support both sides of the controversy regarding the role of mitochondrial TERT in apoptosis, our model integrates two opposing hypotheses. Furthermore, detailed statistical analysis of TERT mutations, which have been predicted to inhibit TERT transport to mitochondria, revealed that these mutations suppress apoptosis independent of the mitochondrial localization of TERT. Together, these results indicate that the non-canonical functions of TERT affect a wide range of pathways.

Abstract Cytoplasmic dynein 1 is almost exclusively responsible for intracellular transport toward the minus-end of microtubules in animal cells. One of the key factors for the unidirectional movement of dynein is the asymmetry of the unbinding of the motor from the microtubule when an external load is applied; it dissociates more easily from microtubules with minus-end directed loading than with plus-end directed loading. To elucidate the molecular basis for this property, we performed molecular dynamics simulations to identify the key residues responsible for asymmetry, which were then examined experimentally. First, we reproduced asymmetry in the unbinding behavior of dynein using coarse-grained simulations. Then, data analysis together with mutational analysis in silico predicted the specific residues that may be responsible for the asymmetry in unbinding. To examine this prediction, we expressed and purified recombinant dynein with mutations in either of the identified key residues. Consistent with the simulations, one of the mutants did not exhibit asymmetry in the in vitro unbinding assay. Moreover, the mutant dynein was able to bind and move diffusely along a microtubule but was unable to restrict its movement to the minus-end direction. Our results demonstrate both experimentally and theoretically how the key residue on the microtubule-binding domain generates asymmetry in unbinding, which is a critical mechanism for the unidirectional movement of dynein along a microtubule track. Significance Statement Cytoplasmic dynein moves to the minus end of microtubules. This unidirectional dynein motility provides the driving force for various cellular activities including vesicle transport, organelle positioning and cell division. One of the key factors for dynein to exhibit unidirectional movement is the asymmetry of unbinding of dynein from the microtubule depending on the direction of external load. By combining computational simulations and in vitro experiments, we identified a residue responsible for the asymmetry. A point mutation at the residue indeed abolished unidirectional motility, highlighting the importance of the asymmetric unbinding property in dynein’s unidirectional movement.

Abstract Cytoplasmic dynein is a two-headed molecular motor that moves to the minus end of microtubule (MT) using ATP hydrolysis free energy. By employing its two heads (motor domains), cytoplasmic dynein shows various bipedal stepping motions; the inchworm and hand-over-hand motions, as well as non-alternate steps of one head. However, the molecular basis to achieve such diverse stepping manners remains obscure. Here, we propose a kinetic model for bipedal motions of cytoplasmic dynein and performed Gillespie Monte Carlo simulations that reproduces most experimental data obtained to date. The model represents status of each motor domain as five states according to conformations, nucleotide- and MT-binding conditions of the domain. Also, the relative positions of the two domains were approximated by three discrete states. Accompanied by ATP hydrolysis cycles, the model dynein stochastically and processively moved forward in multiple steps via diverse pathways, including inchworm and hand-over-hand motions, same as experimental data. The model reproduced key experimental motility-related parameters including velocity and run-length as functions of ATP concentration and external force. Our model reveals that, in a typical inchworm motion, the leading domain moves via the ATP-dependent power-stroke of the linker coupled with a small change in the stalk angle, whereas the lagging domain moves via diffusion dragged by the leading domain. Moreover, the hand-over-hand motion in the model dynein clearly differs from that of kinesin by the usage of the power-stroke. Author Summary Cytoplasmic dynein is a two-headed molecular motor, which moves linearly and transports intra-cellar organelles along microtubules driven by ATP hydrolysis free energy. In contrast to other better-known molecular motors, such as kinesin, dynein is known to take various stepping motions including motions akin to human walking and inchworm-like motions. However, molecular mechanisms underpinning the diverse stepping motions are unclear. Here, based on recent high-resolution structure information and single-molecule motility assay data, we designed a kinetic model that explicitly include two heads, each of which makes ATP hydrolysis cycles and moves along the microtubules. Using the model, we performed Monte Carlo simulations. The simulation reproduced most of currently available experimental results. More importantly, the simulation suggested molecular mechanisms of various stepping motions. While stepping motions apparently resemble to those proposed before, once looking into details, we found the resulting mechanisms distinct from previously proposed ones in the usage of ATP and protein conformation changes coupled with stepping motions.

Abstract CAMSAPs are proteins that show microtubule minus-end-specific localization, decoration and stabilization. Although the mechanism for minus-end recognition via their C-terminal CKK domain has been well described in recent studies, it is unclear how CAMSAPs stabilize microtubules. Our several binding assays revealed that D2 region of CAMSAP3 specifically binds to microtubules with the expanded lattice. To investigate the relationship between this preference and the stabilization effect of CAMSAP3, we precisely measured individual microtubule lengths and found that D2-binding expanded the microtubule lattice by ∼3%. Consistent with the notion that the expanded lattice is a common feature of stable microtubules, the presence of D2 slowed the microtubule depolymerization rate to approximately 1/20, suggesting that the D2-triggered lattice expansion stabilizes microtubules. Combining these results, we propose that CAMSAP3 stabilizes microtubules by lattice expansion upon D2-binding, which further accelerates the recruitment of other CAMSAP3 molecules. Since only CAMSAP3 has D2 and the highest microtubule stabilizing effect among mammalian CAMSAPs, our model also explains the molecular basis for the functional diversity of CAMSAP family members. Summary blurb D2 region in CAMSAP3 preferentially bound to expanded microtubule lattices and also induced lattice expansion, explaining the molecular functions of CAMSAP3.

The CRISPR-associated protein Cas9 is widely used as a genome editing tool because of its ability to be programmed to cleave any DNA sequence that is followed by a protospacer adjacent motif. The continuing expansion of Cas9 technologies has stimulated studies regarding the molecular basis of the Cas9 catalytic process. Here we summarize methods for single molecule FRET (smFRET) to visualize the inter-domain movements of Cas9 protein. Our measurements and analysis demonstrate flexible and reversible movements of the Cas9 domains. Such flexible movements allow Cas9 to adopt transient conformations beyond those solved by crystal structures and play important roles in the Cas9 catalytic process. In addition to the smFRET measurement itself, to obtain precise results, it is necessary to validate Cas9 catalytic activity. Also, fluorescence anisotropy data are required to interpret smFRET data properly. Thus, in this paper, we describe the details of these important additional experiments for smFRET measurements.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.

Abstract Argonaute proteins play a central role in RNA silencing by forming protein-small RNA complexes responsible for the silencing process. While most Argonaute proteins have a short N-terminal region, Argonaute2 in Drosophila melanogaster (DmAgo2) harbors a long and unique N-terminal region. Previous in vitro biochemical studies have shown that the loss of this region does not impair the RNA silencing activity of the complex. However, an N-terminal mutant of Drosophila melanogaster has demonstrated abnormal RNA silencing activity. To explore the causes of this discrepancy between in vitro and in vivo studies, we investigated the biophysical properties of the region. Because the N-terminal region is highly rich in glutamine and glycine residues, which is a well-known property for prion-like domains (PrLD), the possibility of the N-terminal region functioning as a PrLD was tested. Our biochemical assays demonstrated that the N-terminal region can form aggregates that are not dissociated even in the presence of SDS. Also, the aggregates enhanced the fluorescence intensity of thioflavin-T, an amyloid detection reagent. The kinetics of the aggregation followed that of typical amyloid formation exhibiting the self-propagating activity. Further, we directly visualized the aggregation process of the N-terminal region under fluorescence microscopy and found that the aggregations took fractal or fibril shapes. Together, the results indicate that the N-terminal region is a PrLD. Many other PrLDs have been reported to modulate the function of proteins through their aggregation. Therefore, our results raise the possibility that aggregation of the N-terminal region regulates the RNA silencing activity of DmAgo2.

SUMMARY The forces generated by Microtubules (MTs) and their associated motors orchestrate essential cellular processes ranging from vesicular trafficking to centrosome positioning [1, 2]. To date, most studies have focused on force exertion from motors anchored on a static surface, such as the cell cortex in vivo or glass surfaces in vitro [2–4]. However, motors also transport large cargos and endomembrane networks, whose hydrodynamic interactions with the viscous cytoplasm should generate sizable forces in bulk. Such forces may contribute to MT aster centration, organization and orientation [5–14], but have yet to be evidenced and studied in a minimal reconstituted system. By developing a bulk motility assay, based on stabilized MTs and dynein-coated beads freely floating in a viscous medium away from any surface, we demonstrate that the motion of a cargo exerts a pulling force on the MT and propels it in opposite direction. Quantification of resulting MT movements for different motors, motor velocities, over a range of cargo size and medium viscosities, shows that the efficiency of this mechanism is primarily determined by cargo size and MT length. Forces exerted by cargos are additive, allowing us to recapitulate tug-of-war situations, or bi-dimensional motions of minimal asters. These data also reveal unappreciated effects of the nature of viscous crowders and hydrodynamic interactions between cargos and MTs, likely relevant to understand this mode of force exertion in living cells. This study places endomembrane transport as a significant mode of MT force exertion with far-reaching consequences for cellular organization.