ABSTRACT The ATPase family AAA+ domain containing 2 (ATAD2) protein, and its paralog ATAD2B, have a C-terminal bromodomain that functions as a ‘reader’ of acetylated lysine residues on histone proteins. Using a structure-function approach, we investigated the ability of the ATAD2 and ATAD2B bromodomains to select acetylated lysine among multiple histone post-translational modifications. Isothermal titration calorimetry experiments revealed that the ATAD2 and ATAD2B bromodomains selectively recognize distinct patterns of acetylated lysine residues on the N-terminal tails of histone proteins. Adjacent methylation or phosphorylation marks were found to either enhance or weaken the recognition of acetylated lysine by the ATAD2/B bromodomains. Complementary structural studies provide mechanistic insights into how residues within the bromodomain binding pocket coordinate the acetyllysine group in the context of adjacent post- translational modifications. Furthermore, we investigated how sequence changes in amino acids of the histone ligands, either as ‘onco’ mutations or as histone variants, impact the recognition of an adjacent acetylated lysine residue. In summary, our study highlights how the interplay between multiple combinations of histone modifications influences the ‘reader’ activity of the ATAD2 and ATAD2B bromodomains, resulting in distinct binding modes of the two bromodomains. KEY POINTS Multiple independent ATAD2 gene duplication events are evident during metazoan evolution, indicating expansion of functionality in the ATAD2 gene family and suggesting distinct functions for ATAD2 and ATAD2B. High-resolution structures of the ATAD2 and ATAD2B bromodomains in complex with their histone ligands demonstrate how multiple post-translational modifications are coordinated. Recognition of different subsets acetylated histone ligands by the ATAD2 and ATAD2B bromodomains is driven by unique features within the binding pockets of these paralogous proteins. Onco-histone mutations and histone variants that change the amino acid sequence of the histone tails modulate the ATAD2 and ATAD2B bromodomain activity. This study demonstrates how the combinatorial activity of multiple post- translational modifications forms a histone code and influences the recognition of acetylated lysine by bromodomain-containing proteins.

Caenorhabditis elegans early embryos generate cell-specific transcriptomes despite lacking active transcription. This presents an opportunity to study mechanisms of post-transcriptional regulatory control. In seeking the mechanisms behind this patterning, we discovered that some cell-specific mRNAs accumulate non-homogenously within cells, localizing to membranes, P granules (associated with progenitor germ cells in the P lineage), and P-bodies (associated with RNA processing). Transcripts differed in their dependence on 3'UTRs and RNA Binding Proteins, suggesting diverse regulatory mechanisms. Notably, we found strong but imperfect correlations between low translational status and P granule localization within the progenitor germ lineage. By uncoupling these, we untangled a long-standing question: Are mRNAs directed to P granules for translational repression or do they accumulate there as a downstream step? We found translational repression preceded P granule localization and could occur independent of it. Further, disruption of translation was sufficient to send homogenously distributed mRNAs to P granules. Overall, we show transcripts important for germline development are directed to P granules by translational repression, and this, in turn, directs their accumulation in the progenitor germ lineage where repression can ultimately be relieved.

The ATPase family, AAA+ domain-containing protein 2B (ATAD2B) is a nuclear protein that may play a role in the development of neuronal tissues and tumorigenesis. The ATAD2B protein contains a C-terminal bromodomain that is highly homologous to the ATAD2 bromodomain, with 74.7% sequence identity and 94.4% similarity. The ATAD2 bromodomain is an attractive drug target because overexpression of ATAD2 is positively correlated with the progression of multiple cancer types, and poor patient outcomes. Although ATAD2 and ATAD2B are highly conserved, little is known about the function of ATAD2B, or its role in oncogenesis. We hypothesized that the ATAD2B bromodomain would likely be involved in recognition of di-acetyllysine modifications on the histone tail, similarly to its ATAD2 paralog. We identified the acetylated histone ligands of the ATAD2B bromodomain using a combination of isothermal titration calorimetry and nuclear magnetic resonance techniques. Interestingly, the ATAD2B bromodomain has different substrate specificity than the ATAD2 bromodomain, preferentially selecting for the histone H4K5acK8ac ligand. NMR chemical shift perturbation assays and site-directed mutagenesis were used to map out the acetyllysine binding pocket, enabling characterization of residues involved in coordination of mono- and di-acetylated histone ligands by the ATAD2B bromodomain. In addition, the X-ray crystal structure of the ATAD2B bromodomain in complex with an ATAD2 bromodomain inhibitor was solved at 2.2 Å resolution. This structure revealed that critical contacts required for bromodomain inhibitor coordination are conserved between the ATAD2/B bromodomains, and many of these residues play a dual role in acetyllysine recognition.

ABSTRACT Visualization of gene products in Caenorhabditis elegans has provided insights into the molecular and biological functions of many novel genes in their native contexts. Single-molecule Fluorescence In Situ Hybridization (smFISH) and Immunofluorescence (IF) visualize the abundance and localization of mRNAs and proteins, respectively, allowing researchers to elucidate the localization, dynamics, and functions of many genes. Here, we describe several improvements and optimizations to existing IF and smFISH approaches specifically for use in C. elegans embryos. We present 1) optimized fixation and permeabilization steps to preserve cellular morphology while maintaining probe and antibody accessibility, 2) a streamlined, in-tube approach that negates freeze-cracking, 3) the smiFISH (single molecule inexpensive FISH) adaptation that reduces cost, 4) an assessment of optimal anti-fade products, and 5) straightforward quantification and data analysis methods. Most importantly, published IF and smFISH protocols have predominantly been mutually exclusive, preventing exploration of relationships between an mRNA and a relevant protein in the same sample. Here, we present methods to combine IF and smFISH protocols in C. elegans embryos including an efficient method harnessing nanobodies. Finally, we discuss tricks and tips to help the reader optimize and troubleshoot individual steps in each protocol.

Abstract Variation in immune homeostasis, the state in which the immune system is maintained in the absence of stimulation, is highly variable across populations. This variation is attributed to both genetic and environmental factors. However, the identity and function of specific regulators have been difficult to identify in humans. We evaluated homeostatic antibody levels in the serum of the Collaborative Cross (CC) mouse genetic reference population. We found heritable variation in all antibody isotypes and subtypes measured. We identified 4 quantitative trait loci (QTL) associated with 3 IgG subtypes: IgG1, IgG2b, and IgG2c. While 3 of these QTL maps to known immunologically important regions of the genomes, Qih1 (associated with variation in IgG1) mapped to a novel locus on Chromosome 18. We further associated this locus with B cell proportions in the spleen and show that Methyl-CpG binding domain protein 1 is a novel regulator of homeostatic IgG1 levels in the serum and marginal zone B cells (MZB) in the spleen, consistent with a role in MZB differentiation to antibody secreting cells. Summary Homeostatic antibody levels are highly variable between Collaborative Cross (CC) mouse strains. This forward genetic screen in the CC identifies Methyl-CpG binding domain protein 1 (MBD1) as a regulator of homeostatic IgG1 levels and marginal zone B cell differentiation.

ABSTRACT Plasmodium falciparum requires a two-host system, moving between Anopheles mosquito and humans, to complete its life cycle. To overcome such dynamic growth conditions its histones undergo various post-translational modifications to up-regulate and down-regulate certain genes required for invasion and replication. The P. falciparum genome encodes six bromodomaincontaining proteins, of which Bromodomain Protein 1 (PfBDP1) has been shown to interact with acetylated lysine modifications on histone H3 to regulate the expression of invasion-related genes. Here, we investigated the ability of the PfBDP1 bromodomain to interact with acetyllsyine modifications on additional core and variant histones. A crystal structure of the PfBDP1 bromodomain (PfBDP1-BRD) reveals it contains the conserved bromodomain fold, but our comparative analysis between the PfBDP1-BRD and the 8 human bromodomain families indicates it has a unique binding mechanism. Solution NMR spectroscopy and ITC binding assays carried out with acetylated histone ligands demonstrate that it preferentially recognizes tetra-acetylated histone H4, and we detected weaker interactions with multi-acetylated H2A.Z in addition to the previously reported interactions with acetylated histone H3. Our findings indicate PfBDP1 may play additional roles in the P. falciparum life cycle, and the distinctive features of its bromodomain binding pocket could be leveraged for the development of new therapeutic agents to help overcome the continuously evolving resistance of P. falciparum against currently available drugs.

Abstract We report that when expressed at similar levels from an isogenic locus, the Airn lncRNA induces Polycomb deposition with a potency that rivals Xist . However, when subject to the same degree of promoter activation, Xist is more abundant and more potent than Airn . Our data definitively demonstrate that the Airn lncRNA is functional and suggest that Xist achieved extreme potency in part by evolving mechanisms to promote its own abundance.

Bromodomain-containing proteins are often part of chromatin-modifying complexes, and their activity can lead to altered expression of genes that drive cancer, inflammation and neurological disorders in humans. Bromodomain-PHD finger protein 1 (BRPF1) is part of the MOZ (monocytic leukemic zinc-finger protein) HAT (histone acetyltransferase) complex, which is associated with chromosomal translocations known to contribute to the development of acute myeloid leukemia (AML). BRPF1 contains a unique combination of chromatin reader domains including two plant homeodomain (PHD) fingers separated by a zinc knuckle (PZP domain), a bromodomain, and a proline-tryptophan-tryptophan-proline (PWWP) domain. BRPF1 is known to recruit the MOZ HAT complex to chromatin by recognizing acetylated lysine residues on the N-terminal histone tail region through its bromodomain. However, histone proteins can contain several acetylation modifications on their N-terminus, and it is unknown how additional marks influence bromodomain recruitment to chromatin. Here, we identify the BRPF1 bromodomain as a selective reader of di-acetyllysine modifications on histone H4. We used ITC assays to characterize di-acetylated histone ligands bound to the BRPF1 bromodomain and found that the domain binds preferentially to histone peptides H4K5acK8ac and H4K5acK12ac. Analytical ultracentrifugation (AUC) experiments revealed that the monomeric state of the BRPF1 bromodomain coordinates di-acetylated histone ligands. NMR chemical shift perturbation studies, along with binding and mutational analysis, revealed non-canonical regions of the bromodomain-binding pocket that are important for histone tail recognition. Together, our findings provide critical information on how the combinatorial action of post-translational modifications can modulate BRPF1 bromodomain binding and specificity.