Abstract Mechanical deformations of DNA such as bending are ubiquitous and implicated in diverse cellular functions 1 . However, the lack of high-throughput tools to directly measure the mechanical properties of DNA limits our understanding of whether and how DNA sequences modulate DNA mechanics and associated chromatin transactions genome-wide. We developed an assay called loop-seq to measure the intrinsic cyclizability of DNA – a proxy for DNA bendability – in high throughput. We measured the intrinsic cyclizabilities of 270,806 50 bp DNA fragments that span the entire length of S. cerevisiae chromosome V and other genomic regions, and also include random sequences. We discovered sequence-encoded regions of unusually low bendability upstream of Transcription Start Sites (TSSs). These regions disfavor the sharp DNA bending required for nucleosome formation and are co-centric with known Nucleosome Depleted Regions (NDRs). We show biochemically that low bendability of linker DNA located about 40 bp away from a nucleosome edge inhibits nucleosome sliding into the linker by the chromatin remodeler INO80. The observation explains how INO80 can create promoter-proximal nucleosomal arrays in the absence of any other factors 2 by reading the DNA mechanical landscape. We show that chromosome wide, nucleosomes are characterized by high DNA bendability near dyads and low bendability near the linkers. This contrast increases for nucleosomes deeper into gene bodies, suggesting that DNA mechanics plays a previously unappreciated role in organizing nucleosomes far from the TSS, where nucleosome remodelers predominate. Importantly, random substitution of synonymous codons does not preserve this contrast, suggesting that the evolution of codon choice has been impacted by selective pressure to preserve sequence-encoded mechanical modulations along genes. We also provide evidence that transcription through the TSS-proximal nucleosomes is impacted by local DNA mechanics. Overall, this first genome-scale map of DNA mechanics hints at a ‘mechanical code’ with broad functional implications.

The fundamental molecular determinants by which ATP-dependent chromatin remodelers organize nucleosomes across eukaryotic genomes remain largely elusive. Here, chromatin reconstitutions on physiological, whole-genome templates reveal how remodelers read and translate genomic information into nucleosome positions. Using the yeast genome and the multi-subunit INO80 remodeler as a paradigm, we identify DNA shape/mechanics encoded signature motifs as sufficient for nucleosome positioning and distinct from known DNA sequence preferences of histones. INO80 processes such information through an allosteric interplay between its core- and Arp8-modules that probes mechanical properties of nucleosomal and linker DNA. At promoters, INO80 integrates this readout of DNA shape/mechanics with a readout of co-evolved sequence motifs via interaction with general regulatory factors bound to these motifs. Our findings establish a molecular mechanism for robust and yet adjustable +1 nucleosome positioning and, more generally, remodelers as information processing hubs that enable active organization and allosteric regulation of the first level of chromatin.

Abstract Autoimmune vasculitis is a group of life-threatening diseases, whose underlying pathogenic mechanisms are incompletely understood, hampering development of targeted therapies. Here, we demonstrate that patients suffering from anti-neutrophil cytoplasmic antibodies (ANCA)-associated vasculitis (AAV) showed increased activity of the DNA sensor cGAS and enhanced IFN-I signature. To identify potential therapeutic targets, we developed a mouse model for pulmonary AAV that mimics severe disease in patients. Immunogenic DNA accumulated during disease onset, triggering cGAS/STING/IRF3-dependent IFN-I release that promoted endothelial damage, pulmonary hemorrhages, and lung dysfunction. Macrophage subsets played dichotomic roles in disease. While recruited monocyte-derived macrophages were major disease drivers by producing most IFN-β, resident alveolar macrophages contributed to tissue homeostasis by clearing red blood cells and limiting infiltration of IFN-β-producing macrophages. Moreover, pharmacological inhibition of STING, IFNAR-I or its downstream JAK/STAT signaling reduced disease severity and accelerated recovery. Our study unveils the importance of STING/IFN-I axis in promoting pulmonary AAV progression and identifies cellular and molecular targets to ameliorate disease outcome. Graphical abstract Summary Kessler et al. identify aberrant DNA recognition by cGAS/STING axis and IFN-I production by inflammatory macrophages as a major driver of severe ANCA-associated vasculitis (AAV). Pharmacological interventions blocking this pathway ameliorate disease and accelerate recovery, identifying potential targets for therapeutic intervention in patients.

Arrays of regularly spaced nucleosomes dominate chromatin and are often phased by alignment to reference sites like active promoters. How the distances between nucleosomes (spacing), and between phasing sites and nucleosomes are determined remains unclear, and specifically, how ATP dependent chromatin remodelers impact these features. Here, we used genome-wide reconstitution to probe how Saccharomyces cerevisiae ATP dependent remodelers generate phased arrays of regularly spaced nucleosomes. We find that remodelers bear a functional element named the ‘ruler’ that determines spacing and phasing in a remodeler-specific way. We use structure-based mutagenesis to identify and tune the ruler element residing in the Nhp10 and Arp8 modules of the INO80 remodeler complex. Generally, we propose that a remodeler ruler regulates nucleosome sliding direction bias in response to (epi)genetic information. This finally conceptualizes how remodeler-mediated nucleosome dynamics determine stable steady-state nucleosome positioning relative to other nucleosomes, DNA bound factors, DNA ends and DNA sequence elements.