Abstract Evolution of recognition specificities by the immune system depends on the generation of receptor diversity, and connecting binding of new antigens with initiation of downstream signalling. In plant immunity, these functions are enabled by the family of innate Nucleotide-Binding Leucine Rich Repeat (NLR) receptors. In this paper we surveyed the NLR complements of 62 ecotypes of Arabidopsis thaliana and 54 lines of Brachypodium distachyon and identified a limited number of NLR subfamilies responsible for generation of new receptor specificities. We show that the predicted specificity-determining residues cluster on the surfaces of Leucine Rich Repeat domains, but the location of the clusters varies between NLR subfamilies. By comparing NLR phylogeny, allelic diversity, and known functions of the Arabidopsis NLRs, we formulate a hypothesis for emergence of direct and indirect pathogen sensing receptors, and of the autoimmune NLRs. These findings reveal the recurring patterns of evolution of innate immunity and inform NLR engineering efforts.

Abstract Plants rely on Nucleotide-binding, Leucine-rich repeat Receptors (NLRs) for pathogen recognition. Highly variable NLRs (hvNLRs) show remarkable intraspecies diversity, while their low variability paralogs (non-hvNLRs) are conserved between ecotypes. At a population level, hvNLRs provide new pathogen recognition specificities, but the association between allelic diversity and genomic and epigenomic features has not been established. Our investigation of NLRs in Arabidopsis Col-0 has revealed that hvNLRs show higher expression, less gene body cytosine methylation, and closer proximity to transposable elements than non-hvNLRs. hvNLRs show elevated synonymous and nonsynonymous nucleotide diversity and are in chromatin states associated with an increased probability of mutation. Diversifying selection maintains variability at a subset of codons of hvNLRs, while purifying selection maintains conservation at non-hvNLRs. How these features are established and maintained, and whether they contribute to the observed diversity of hvNLRs is key to understanding the evolution of plant innate immune receptors.

Nucleotide-binding Leucine Rich Repeat proteins (NLRs) are a major class of immune receptors in plants. NLRs include both conserved and rapidly evolving members, however their evolutionary trajectory in crops remains understudied. Availability of crop pan-genomes enables analysis of the recent events in the evolution of this highly complex gene family within domesticated species. Here, we investigated the NLR complement of 26 nested association mapping (NAM) founder lines of maize. We found that maize has just four main subfamilies containing rapidly evolving highly variable NLR (hvNLR) receptors. Curiously, three of these phylogenetically distinct hvNLR lineages are located in adjacent clusters on chromosome 10. By combining sequence diversity analysis and AlphaFold2 computational structure prediction we predicted ligand binding sites in the hvNLRs. We also observed novel insertion domains in the LRR regions of two hvNLR subfamilies that likely contribute to target recogniton. To make this analysis accessible, we created NLRCladeFinder, a Google Colaboratory notebook, that accepts any newly identified NLR sequence, places it in the evolutionary context of maize pan-NLRome, and provides an updated clade alignment, phylogenetic tree, and sequence diversity information for the gene of interest.

Abstract The Human Silencing Hub (HUSH) guards the genome from the pathogenic effects of retroelement expression. Composed of MPP8, TASOR, and Periphilin-1, HUSH recognizes actively transcribed retrotransposed sequences by the presence of long (>1.5-kb) nascent transcripts without introns. HUSH recruits effectors that alter chromatin structure, degrade transcripts, and deposit transcriptionally repressive epigenetic marks. Here, we report the crystal structure of the C-terminal domain (CTD) of MPP8 necessary for HUSH activity. The MPP8 CTD consists of five ankyrin repeats followed by a domain with structural homology to the PINIT domains of Siz/PIAS-family SUMO E3 ligases. AlphaFold-Multimer modeling predicts that the MPP8 CTD forms extended interaction interfaces with a SPOC domain and a domain with a novel fold in TASOR. The MPP8 chromodomain, known to bind the repressive mark H3K9me3, binds with similar or higher affinity to sequences in the H3K9 methyltransferase subunits SETDB1, ATF7IP, G9a, and GLP. Hence, MPP8 promotes heterochromatinization by recruiting H3K9 methyltransferases. Our work identifies novel structural elements in MPP8 required for HUSH complex assembly and silencing, thereby fulfilling vital functions in controlling retrotransposons.

The Human Silencing Hub (HUSH) complex epigenetically represses retroviruses, transposons and genes in vertebrates. HUSH therefore maintains genome integrity and is central in the interplay between intrinsic immunity, transposable elements and transcriptional regulation. Comprising three subunits - TASOR, MPP8 and Periphilin - HUSH regulates SETDB1-dependent deposition of the transcriptionally repressive epigenetic mark H3K9me3 and recruits MORC2 to modify local chromatin structure. However the mechanistic roles of each HUSH subunit remain undetermined. Here we show that TASOR lies at the heart of HUSH, providing a platform for assembling the other subunits. Targeted epigenomic profiling supports the model that TASOR binds and regulates H3K9me3 specifically over LINE-1 repeats and other repetitive exons in transcribed genes. We find TASOR associates with several components of the nuclear RNA processing machinery and its modular domain architecture bears striking similarities to that of Chp1, the central component of the yeast RNA-induced transcriptional silencing (RITS) complex. Together these observations suggest that an RNA intermediate may be important for HUSH activity. We identify the TASOR domains necessary for HUSH assembly and transgene repression. Structural and genomic analyses reveal that TASOR contains a poly-ADP ribose polymerase (PARP) domain dispensable for assembly and chromatin localization, but critical for epigenetic regulation of target elements. This domain contains a degenerated and obstructed active site and has hence lost catalytic activity. Together our data demonstrate that TASOR is a pseudo-PARP critical for HUSH complex assembly and H3K9me3 deposition over its genomic targets.

Transcription of integrated DNA from viruses or transposable elements is tightly regulated to prevent pathogenesis. The Human Silencing Hub (HUSH), composed of Periphilin, TASOR and MPP8, silences transcriptionally active viral and endogenous transgenes. HUSH recruits effectors that alter the epigenetic landscape and chromatin structure, but how HUSH recognizes target loci and represses their expression remains unclear. We identify the physicochemical properties of Periphilin necessary for HUSH assembly and silencing. A disordered N-terminal domain (NTD) and structured C-terminal domain are essential for silencing. A crystal structure of the Periphilin-TASOR core complex shows Periphilin forms α-helical homodimers, which each bind a single TASOR molecule. The NTD binds RNA non-specifically and forms insoluble aggregates through an arginine/tyrosine-rich sequence reminiscent of low-complexity regions from self-associating RNA-binding proteins. Residues required for TASOR binding and aggregation were required for HUSH-dependent silencing and genome-wide deposition of repressive mark H3K9me3. The NTD was functionally complemented by low-complexity regions from certain RNA-binding proteins and proteins that form condensates or fibrils. Our work suggests the associative properties of Periphilin promote HUSH aggregation on nascent transcripts.