AbstractThe DNA polymerase processivity factor proliferating cell nuclear antigen (PCNA) is central to both DNA replication and repair. The ring-shaped homotrimeric PCNA encircles and slides along double-stranded DNA, acting as a “sliding clamp” that localizes proteins to DNA. We determined the behavior of green fluorescent protein-tagged human PCNA (GFP-hPCNA) in living cells to analyze its different engagements in DNA replication and repair. Photobleaching and tracking of replication foci revealed a dynamic equilibrium between two kinetic pools of PCNA, i.e., bound to replication foci and as a free mobile fraction. To simultaneously monitor PCNA action in DNA replication and repair, we locally inflicted UV-induced DNA damage. A surprisingly longer residence time of PCNA at damaged areas than at replication foci was observed. Using DNA repair mutants, we showed that the initial recruitment of PCNA to damaged sites was dependent on nucleotide excision repair. Local accumulation of PCNA at damaged regions was observed during all cell cycle stages but temporarily disappeared during early S phase. The reappearance of PCNA accumulation in discrete foci at later stages of S phase likely reflects engagements of PCNA in distinct genome maintenance processes dealing with stalled replication forks, such as translesion synthesis (TLS). Using a ubiquitination mutant of GFP-hPCNA that is unable to participate in TLS, we noticed a significantly shorter residence time in damaged areas. Our results show that changes in the position of PCNA result from de novo assembly of freely mobile replication factors in the nucleoplasmic pool and indicate different binding affinities for PCNA in DNA replication and repair. ACKNOWLEDGMENTSThis work was supported by NWO grants 805-47-193, 912-03-012, and 917-03-012 and investment grants NWO 903-68-370 and 901-01-229 from the Netherlands Organization for Scientific Research and by EC grants HPRN-CT-2002-00240 and MRTN-CT-2003-503618.

DNA double-strand break (DSB) repair by nonhomologous end joining (NHEJ) requires the assembly of several proteins on DNA ends. Although biochemical studies have elucidated several aspects of the NHEJ reaction mechanism, much less is known about NHEJ in living cells, mainly because of the inability to visualize NHEJ repair proteins at DNA damage. Here we provide evidence that a pulsed near IR laser can produce DSBs without any visible alterations in the nucleus, and we show that NHEJ proteins accumulate in the irradiated areas. The levels of DSBs and Ku accumulation diminished in time, showing that this approach allows us to study DNA repair kinetics in vivo . Remarkably, the Ku heterodimers on DNA ends were in dynamic equilibrium with Ku70/80 in solution, showing that NHEJ complex assembly is reversible. Accumulation of XRCC4/ligase IV on DSBs depended on the presence of Ku70/80, but not DNA-PK CS . We detected a direct interaction between Ku70 and XRCC4 that could explain these requirements. Our results suggest that this assembly constitutes the core of the NHEJ reaction and that XRCC4 may serve as a flexible tether between Ku70/80 and ligase IV.

Significance Transcription by RNA Polymerase II (Pol II) is a highly dynamic process that is tightly regulated at each step of the transcription cycle. We generated GFP-RPB1 knockin cells and developed photobleaching of endogenous Pol II combined with computational modeling to study the in vivo dynamics of Pol II in real time. This approach allowed us to dissect promoter-paused Pol II from initiating and elongating Pol II and showed that initiation and promoter proximal pausing are surprisingly dynamic events, due to premature termination of Pol II. Our study provides new insights into Pol II dynamics and suggests that the iterative release and reinitiation of promoter-bound Pol II is an important component of transcriptional regulation.

SUMMARY Mammalian chromosomes are three-dimensional entities shaped by converging and opposing forces. Mitotic cell division induces drastic chromosome condensation, but following reentry into the G1 cell cycle phase, condensed chromosomes unwind to reestablish interphase organization. Here, we use a cell line allowing auxin-mediated degradation of RNA polymerase II to test its role in this transition. In situ Hi-C showed that RNAPII is required for compartment and loop formation following mitosis. RNAPs often counteract loop extrusion and, in their absence, longer and more prominent loops arise. Evidence from chromatin fractionation, super-resolution imaging and in silico modeling attribute these effects to RNAPII-mediated cohesin loading at active promoters upon reentry into G1. Our findings reconcile the role of RNAPII in gene expression with that in chromatin architecture.

Abstract Super-resolution structured illumination microscopy (SIM) has become a widely used method for biological imaging. Standard reconstruction algorithms, however, are prone to generate noise-specific artefacts that limit their applicability for lower signal-to-noise data. Here, we present a physically realistic noise model that explains the structured noise artefact and that is used to motivate new complementary reconstruction approaches. True Wiener-filtered SIM optimizes contrast given the available signal-to-noise ratio, flat-noise SIM fully overcomes the structured noise artefact while maintaining resolving power. Both methods eliminate ad-hoc user adjustable reconstruction parameters in favour of physical parameters, enhancing objectivity. The new reconstructions point to a trade-off between contrast and a natural noise appearance. This trade-off can be partly overcome by additional notch filtering, but at the expense of a decrease in signal-to-noise ratio. The benefits of the proposed approaches are demonstrated on focal adhesion and tubulin samples in 2D and 3D, and on nano-fabricated fluorescent test patterns.

Abstract Correct transcription is crucial for life. However, DNA damage severely impedes elongating RNA Polymerase II (Pol II), causing transcription inhibition and transcription-replication conflicts. Cells are equipped with intricate mechanisms to counteract the severe consequence of these transcription-blocking lesions (TBLs). However, the exact mechanism and factors involved remain largely unknown. Here, using a genome-wide CRISPR/cas9 screen, we identified elongation factor ELOF1 as an important new factor in the transcription stress response upon DNA damage. We show that ELOF1 has an evolutionary conserved role in Transcription-Coupled Nucleotide Excision Repair (TC-NER), where it promotes recruitment of the TC-NER factors UVSSA and TFIIH to efficiently repair TBLs and resume transcription. Additionally, ELOF1 modulates transcription to protect cells from transcription-mediated replication stress, thereby preserving genome stability. Thus, ELOF1 protects the transcription machinery from DNA damage by two distinct mechanisms.

ABSTRACT How steroid hormone receptors (SHRs) orchestrate transcriptional activity remains only partly understood. Upon activation, SHRs bind the genome and recruit their co-regulators, crucial to induce gene expression. However, it remains unknown which components of the SHR-recruited co-regulator complex are essential to drive transcription following hormonal stimuli. Through a FACS-based genome-wide CRISPR screen, we comprehensively dissected the Glucocorticoid Receptor (GR) co-regulatory complex involved in gene-target regulation. We describe a novel functional cross-talk between PAXIP1 and the cohesin subunit STAG2 that is critical for regulation of gene expression by GR. Without altering the GR cistrome, PAXIP1 and STAG2 depletion alter the GR transcriptome, by impairing the recruitment of 3D-genome organization proteins to the GR complex. Importantly, we demonstrate that PAXIP1 is required for stability of cohesin on the genome, its localization to GR-occupied sites, and maintenance of enhancer-promoter interactions. Moreover, in lung cancer, where GR acts as tumor suppressor, PAXIP1/STAG2 loss enhances GR-mediated tumor suppressor activity by modifying local chromatin interactions. All together, we introduce PAXIP1 and STAG2 as novel co-regulators of GR, required to maintain 3D-genome architecture and drive the GR transcriptional programme following hormonal stimuli.

Abstract Focal adhesions (FAs) are the main cellular structures to link the intracellular cytoskeleton to the extracellular matrix. FAs mediate cell adhesion, are important for cell migration and are involved in many (patho)-physiological processes. Here we examined FAs and their associated actin fibres using correlative fluorescence and scanning electron microscopy (SEM). We used fluorescence images of cells expressing paxillin-GFP to define the boundaries of FA complexes in SEM images, without using SEM contrast enhancing stains. We observed that SEM contrast was increased around the actin fibre entry site in 98% of FAs, indicating increases in protein density and possibly also phosphorylation levels in this area. In nearly three quarters of the FAs, these nanostructures had a fork shape, with the actin forming the stem and the high contrast FA areas the fork. In conclusion, the combination of fluorescent and electron microscopy allowed accurate localisation of a highly abundant, novel fork structure at the FA-actin interface.

Neocortical pyramidal neurons are frequently myelinated. Diversity in the topography of axonal myelination in the cerebral cortex has been attributed to a combination of electrophysiological activity, axonal morphology, and neuronal-glial interactions. Previously, we showed that axonal segment length and calibre are critical determinants of fast-spiking interneuron myelination. However, the factors that determine the myelination of individual axonal segments along neocortical pyramidal neurons remain largely unexplored. Here, we used structured illumination microscopy and cell type-specific manipulations to examine the extent to which axonal morphology determines the topography of axonal myelination in mouse neocortical pyramidal neurons. We found that, unlike what was determined for fast-spiking interneurons, the joint combination of axonal calibre and interbranch distance does not predict axonal myelination in pyramidal neurons, rather it provides a minimum threshold for myelination; pyramidal neurons with an axon calibre and interbranch distance lower than 0.24 um and 19 um, respectively, are almost never myelinated. Moreover, we further confirmed that these findings in mice also extend to human neocortical pyramidal cell myelination, suggesting that this mechanism is evolutionarily conserved. Taken together, our findings suggest that axonal morphology is highly deterministic of the topography and cell-type specificity of neocortical myelination.

Abstract Extracellular vesicles (EVs) reflect the cell of origin in terms of nucleic acids and protein content. They are found in biofluids and represent an ideal liquid biopsy biomarker source for many diseases. Unfortunately, clinical implementation is limited by available technologies for EV analysis. We have developed a simple, robust and sensitive microscopy-based high-throughput assay (EVQuant) to overcome these limitations and allow widespread use in the EV community. The EVQuant assay can detect individual immobilized EVs as small as 35 nm and determine their concentration in biofluids without extensive EV isolation or purification procedures. It can also identify specific EV subpopulations based on combinations of biomarkers and is used here to identify prostate-derived urinary EVs as CD9-/CD63+. Moreover, characterization of individual EVs allows analysis of their size distribution. The ability to identify, quantify and characterize EV (sub-)populations in high-throughput substantially extents the applicability of the EVQuant assay over most current EV quantification assays.