Proteins can be reversibly modified through the addition of repeating, polymerized ADP-ribose (PAR) subunits catalysed by poly(ADP-ribose) polymerase (PARP). Removal of PAR requires a glycohydrolase (PARG), which cleaves the ribose–ribose bond between subunits. Ivan Ahel and colleagues report that bacteria and fungi have a divergent PARG, which is unrelated to other enzymes that cleave PAR. Its structure, in complex with ADP-ribose and with a PARG inhibitor, and the results of mutational analysis suggest that the mechanism used in mammals and bacteria may be conserved. PARP inhibitors are being developed as pharmaceuticals for diseases including cancer, and this work suggests that small, cell-permeable PARG inhibitors might also be possible drug candidates. Post-translational modification of proteins by poly(ADP-ribosyl)ation regulates many cellular pathways that are critical for genome stability, including DNA repair, chromatin structure, mitosis and apoptosis1. Poly(ADP-ribose) (PAR) is composed of repeating ADP-ribose units linked via a unique glycosidic ribose–ribose bond, and is synthesized from NAD by PAR polymerases1,2. PAR glycohydrolase (PARG) is the only protein capable of specific hydrolysis of the ribose–ribose bonds present in PAR chains; its deficiency leads to cell death3,4. Here we show that filamentous fungi and a number of bacteria possess a divergent form of PARG that has all the main characteristics of the human PARG enzyme. We present the first PARG crystal structure (derived from the bacterium Thermomonospora curvata), which reveals that the PARG catalytic domain is a distant member of the ubiquitous ADP-ribose-binding macrodomain family5,6. High-resolution structures of T. curvata PARG in complexes with ADP-ribose and the PARG inhibitor ADP-HPD, complemented by biochemical studies, allow us to propose a model for PAR binding and catalysis by PARG. The insights into the PARG structure and catalytic mechanism should greatly improve our understanding of how PARG activity controls reversible protein poly(ADP-ribosyl)ation and potentially of how the defects in this regulation are linked to human disease.

Abstract DNA damage forms a major obstacle for gene transcription by RNA polymerase II (Pol II). Transcription-coupled nucleotide excision repair (TC-NER) efficiently eliminates transcription-blocking lesions (TBLs), thereby safeguarding accurate transcription, preserving correct cellular function and counteracting aging. TC-NER initiation involves the recognition of lesion-stalled Pol II by CSB, which recruits the CRL4 CSA E3 ubiquitin ligase complex and UVSSA. TBL-induced ubiquitylation of Pol II at lysine 1268 of the RPB1 subunit by CRL4 CSA serves as a critical TC-NER checkpoint, governing Pol II stability and initiating TBL excision by TFIIH recruitment. However, the precise regulatory mechanisms of the CRL4 CSA E3 ligase activity and TFIIH recruitment remain elusive. Here, we reveal Inactive Serine/Threonine Kinase 19 (STK19) as a novel TC-NER factor, that is essential for correct TBL removal repair and subsequent transcription restart. Cryo-EM studies demonstrate that STK19 is an integral part of the Pol II-TC-NER complex, bridging CSA with UVSSA, RPB1 and downstream DNA. Live-cell imaging and interaction studies show that STK19 stimulates TC-NER complex stability and CRL4 CSA activity, resulting in efficient Pol II ubiquitylation and correct UVSSA and TFIIH binding. These findings underscore the crucial role of STK19 as a core component of the TC-NER machinery and its key involvement in the cellular responses to DNA damage that interfere with transcription.

Abstract Maintaining and modulating the mechanical anisotropy is essential for biological processes. How this is achieved on the microscopic scale in living soft matter is however not always clear. Here we introduce Brillouin Light Scattering Anisotropy Microscopy (BLAM) for mapping the high-frequency viscoelastic anisotropy inside living cells. Following proof-of-principle experiments on muscle myofibers, we apply this to study two fundamental biological processes. In plant cell walls we show how a phase-transition driven switch between anisotropic-isotropic wall properties may lead to asymmetric growth. In mammalian cell nuclei we uncover a spatio-temporally oscillating elastic anisotropy correlated to chromatin condensation, with long range orientational correlations that may provide a dynamic framework for coordinating intra-nuclear processes. Our results highlight the direct and indirect role the high-frequency mechanics can play in providing dynamic structure that lead to the regulation of diverse fundamental processes in biological systems, and offer a means for studying these. BLAM should find diverse biomedical and material characterization applications.

Mitophagy is a specific type of autophagy responsible for the selective elimination of dysfunctional or superfluous mitochondria, ensuring the maintenance of mitochondrial quality control. The initiation of mitophagy is coordinated by the ULK1 kinase complex, which engages mitophagy receptors via its FIP200 subunit. Whether FIP200 performs additional functions in the subsequent later phases of mitophagy beyond this initial step and how its regulation occurs, remains unclear. Our findings reveal that multiple phosphorylation events on FIP200 differentially control the early and late stages of mitophagy. Furthermore, these phosphorylation events influence FIP200's interaction with ATG16L1. In summary, our results highlight the necessity for precise and dynamic regulation of FIP200, underscoring its importance in the progression of mitophagy.

Poly(ADP-ribose) polymerases (PARPs) regulate various aspects of cellular function including mitotic progression. Although PARP inhibitors have been undergoing various clinical trials and the PARP1/2 inhibitor olaparib was approved as monotherapy for BRCA-mutated ovarian cancer, their mode of action in killing tumour cells is not fully understood. We investigated the effect of PARP inhibition on mitosis in cancerous (cervical, ovary, breast and osteosarcoma) and non-cancerous cells by live-cell imaging. The clinically relevant inhibitor olaparib induced strong perturbations in mitosis, including problems with chromosome alignment at the metaphase plate, anaphase delay, and premature loss of cohesion (cohesion fatigue) after a prolonged metaphase arrest, resulting in sister chromatid scattering. PARP1 and PARP2 depletion suppressed the phenotype while PARP2 overexpression enhanced it, suggesting that olaparib-bound PARP1 and PARP2 rather than the lack of catalytic activity causes this phenotype. Olaparib-induced mitotic chromatid scattering was observed in various cancer cell lines with increased protein levels of PARP1 and PARP2, but not in non-cancer or cancer cell lines that expressed lower levels of PARP1 or PARP2. Interestingly, the sister chromatid scattering phenotype occurred only when olaparib was added during the S-phase preceding mitosis, suggesting that PARP1 and PARP2 entrapment at replication forks impairs sister chromatid cohesion. Clinically relevant DNA-damaging agents that impair replication progression such as topoisomerase inhibitors and cisplatin were also found to induce sister chromatid scattering and metaphase plate alignment problems, suggesting that these mitotic phenotypes are a common outcome of replication perturbation.

Abstract The heptarepeats of the C-terminal domain (CTD) of RNA polymerase II (Pol II) are extensively modified throughout the transcription cycle. The CTD coordinates RNA synthesis and processing by recruiting transcription regulation factors as well as RNA capping, splicing and 3’end processing factors. The SPOC domain of PHF3 was recently identified as a new CTD reader domain specifically binding to phosphorylated serine-2 residues in adjacent CTD repeats. Here, we establish the SPOC domains of the human proteins DIDO, SHARP and RBM15 as phosphoserine binding modules that can act as CTD readers but also recognize other phosphorylated binding partners. We report the crystal structure of SHARP (SPEN) SPOC-CTD and identify the molecular determinants for its specific binding to phosphorylated serine-5. PHF3 and DIDO SPOC domains preferentially interact with the Pol II elongation complex, while RBM15 and SHARP SPOC domains engage with the m6A writer and reader proteins. Our findings establish the SPOC domain as a major interface between the transcription machinery and regulators of transcription and co-transcriptional processes.

The C-terminal domain (CTD) of the largest subunit of RNA polymerase II (Pol II) is a regulatory hub for transcription and RNA processing. Here, we identify PHD-finger protein 3 (PHF3) as a new CTD-binding factor that negatively regulates transcription and mRNA stability. The PHF3 SPOC domain preferentially binds to CTD repeats phosphorylated on Serine-2 and PHF3 tracks with Pol II across the length of genes. PHF3 competes with TFIIS for Pol II binding through its TFIIS-like domain (TLD), thus inhibiting TFIIS-mediated rescue of backtracked Pol II. PHF3 knock-out or PHF3 SPOC deletion in human cells result in gene upregulation and a global increase in mRNA stability, with marked derepression of neuronal genes. Key neuronal genes are aberrantly expressed in Phf3 knock-out mouse embryonic stem cells, resulting in impaired neuronal differentiation. Our data suggest that PHF3 is a prominent effector of neuronal gene regulation at the interface of transcription elongation and mRNA decay.

Centrioles are highly elaborate microtubule-based structures responsible for the formation of centrosomes and cilia. Despite considerable variation across species and tissues, within any given tissue their size is essentially constant. While the diameter of the centriole cylinder is set by the dimensions of the inner scaffolding structure of the cartwheel, how centriole length is set so precisely and stably maintained over many cell divisions is not well understood. Cep97 and CP110 are conserved proteins that localize to the distal end of centrioles and have been reported to limit centriole elongation in vertebrates. Here, we examine Cep97 function in Drosophila melanogaster. We show that Cep97 is essential for formation of full-length centrioles in multiple tissues of the fly. We further identify the microtubule deacetylase Sirt2 as a Cep97 proximity interactor. Deletion of Sirt2 likewise affects centriole size. Interestingly, so does deletion of the acetylase Atat1, indicating that loss of stabilizing acetyl marks impairs centriole integrity. Cep97 and CP110 were originally identified as inhibitors of cilia formation in vertebrate cultured cells and loss of CP110 is a widely used marker of basal body maturation. In contrast, in Drosophila Cep97 is only transiently removed from basal bodies and loss of Cep97 strongly impairs ciliogenesis. Collectively, our results support a model whereby Cep97 functions as part of a protective cap that acts together with the microtubule acetylation machinery to maintain centriole stability, essential for proper function in cilium biogenesis.