Cohesin extrusion is thought to play a central role in establishing the architecture of mammalian genomes. However, extrusion has not been visualized in vivo, and thus, its functional impact and energetics are unknown. Using ultra-deep Hi-C, we show that loop domains form by a process that requires cohesin ATPases. Once formed, however, loops and compartments are maintained for hours without energy input. Strikingly, without ATP, we observe the emergence of hundreds of CTCF-independent loops that link regulatory DNA. We also identify architectural "stripes," where a loop anchor interacts with entire domains at high frequency. Stripes often tether super-enhancers to cognate promoters, and in B cells, they facilitate Igh transcription and recombination. Stripe anchors represent major hotspots for topoisomerase-mediated lesions, which promote chromosomal translocations and cancer. In plasmacytomas, stripes can deregulate Igh-translocated oncogenes. We propose that higher organisms have coopted cohesin extrusion to enhance transcription and recombination, with implications for tumor development.

Transcription has the capacity to mechanically modify DNA topology, DNA structure and nucleosome arrangement. Resulting from ongoing transcription, these modifications in turn may provide instant feedback to the transcription machinery. To substantiate the connection between transcription and DNA dynamics, we charted an ENCODE map of transcription-dependent dynamic supercoiling in human Burkitt's lymphoma cells by using psoralen photobinding to probe DNA topology in vivo. Dynamic supercoils spread ~1.5 kilobases upstream of the start sites of active genes. Low- and high-output promoters handled this torsional stress differently, as shown by using inhibitors of transcription and topoisomerases and by chromatin immunoprecipation of RNA polymerase and topoisomerases I and II. Whereas lower outputs are managed adequately by topoisomerase I, high-output promoters additionally require topoisomerase II. The genome-wide coupling between transcription and DNA topology emphasizes the importance of dynamic supercoiling for gene regulation.

We report a mechanism through which the transcription machinery directly controls topoisomerase 1 (TOP1) activity to adjust DNA topology throughout the transcription cycle. By comparing TOP1 occupancy using chromatin immunoprecipitation sequencing (ChIP-seq) versus TOP1 activity using topoisomerase 1 sequencing (TOP1-seq), a method reported here to map catalytically engaged TOP1, TOP1 bound at promoters was discovered to become fully active only after pause-release. This transition coupled the phosphorylation of the carboxyl-terminal-domain (CTD) of RNA polymerase II (RNAPII) with stimulation of TOP1 above its basal rate, enhancing its processivity. TOP1 stimulation is strongly dependent on the kinase activity of BRD4, a protein that phosphorylates Ser2-CTD and regulates RNAPII pause-release. Thus the coordinated action of BRD4 and TOP1 overcame the torsional stress opposing transcription as RNAPII commenced elongation but preserved negative supercoiling that assists promoter melting at start sites. This nexus between transcription and DNA topology promises to elicit new strategies to intercept pathological gene expression.

Abstract The structural maintenance of chromosome (SMC) complex cohesin mediates sister chromatid cohesion established during replication, and damage-induced cohesion formed in response to DSBs post-replication. The translesion synthesis polymerase Polη is required for damage-induced cohesion through a hitherto unknown mechanism. Since Polη is functionally associated with transcription, and transcription triggers de novo cohesion in Schizosaccharomyces pombe , we hypothesized that transcription facilitates damage-induced cohesion in Saccharomyces cerevisiae . Here, we show dysregulated transcriptional profiles in Polη-depleted cells ( rad30Δ ), where genes involved in chromatin assembly and positive transcription regulation were downregulated. In addition, chromatin association of RNA polymerase II was reduced at promoters and coding regions in rad30Δ compared to WT cells, while occupancy of the H2A.Z variant (Htz1) at promoters was increased in rad30Δ cells. Perturbing histone exchange at promoters inactivated damage-induced cohesion, similarly to deletion of the RAD30 gene. Conversely, altering regulation of transcription elongation suppressed the deficient damage-induced cohesion in rad30Δ cells. These results indicate that Polη has an assisting role during the transcriptional process, which consecutively facilitates formation of damage-induced cohesion. This further suggests a potential linkage between regulation of transcription and formation of damage-induced cohesion after replication. Author Summary The cohesin complex dynamically associates with chromosomes and holds sister chromatids together through cohesion established during replication. This ensures faithful chromosome segregation at anaphase. In budding yeast, DNA double strand breaks trigger sister chromatid cohesion even after replication. This so-called damage-induced cohesion is formed both close to the breaks, and genome-wide on undamaged chromosomes. The translesion synthesis polymerase eta (Polη) is specifically required for genome wide damage-induced cohesion. Although Polη is well characterized for its function in bypassing ultraviolet-induced DNA lesions, its mechanistic role in damage-induced cohesion is unclear. Here, we show that transcriptional regulation is perturbed in the absence of Polη. We propose that Polη could aid in chromatin association of RNA polymerase II through phosphorylation of the Polη-S14 residue, a non-canonical role of Polη which further facilitates formation of damage-induced cohesion genome wide. In addition, we observe the need of replication-independent nucleosome assembly/histone exchange for formation of damage-induced cohesion. This together provides new insight into formation of damage-induced cohesion after replication, which will be interesting to further explore.

Cyclin A2 is a key regulator of the eukaryotic cell cycle. By forming complexes with Cdk1 and Cdk2, Cyclin A2 regulates both spatial and temporal phosphorylation of target proteins, particularly during S and G2 phases. Here we describe a change in localisation of Cyclin A2 from being only nuclear to both nuclear and cytoplasmic at the S/G2 border. Inflicting DNA damage in G2 phase led to a complete loss of cytoplasmic Cyclin A2 in a manner that depended on p53 and p21. In the absence of externally induced DNA damage, p21-/- cells showed increased cytoplasmic localisation of Cyclin A2. In addition, depletion of Cdk1 delayed accumulation of cytoplasmic Cyclin A2, suggesting that the combined action of Cdk1 and p21 can modulate Cyclin A2 localisation. Interestingly, Cyclin A2 localisation change occurs simultaneously with Plk1 kinase activation, and we provide evidence that cytoplasmic Cyclin A2 can activate Plk1. We propose that cytoplasmic appearance of Cyclin A2 at the S/G2 transition could function as the long sought for trigger for mitotic kinase activation.

Abstract Pancreatic carcinoma is one of the most lethal cancers and the absence of efficient therapeutic strategies results in poor prognosis. Transcriptional dysregulation due to alterations in KRAS and MYC impacts initiation, development, and survival of this tumor type. Using patient-derived xenografts of pancreatic carcinoma driven by KRAS and MYC oncogenic transcription, we show that co-inhibition of Topoisomerase 1 (TOP1) and bromodomain containing protein 4 (BRD4) synergistically induce tumor regression through targeting promoter pause-release, a rate-limiting step in transcription elongation. By comparing the nascent transcriptome with the recruitment of elongation and termination factors along genes, we found that co-inhibition of TOP1 and BRD4, while globally impairing RNA production, disturbs recruitment of proteins involved in termination. Thus, RNA polymerases continue transcribing downstream of genes for hundreds of kilobases leading to readthrough transcription. This pervasive transcription also occurs during replication, perturbing replisome progression and leading to DNA damage. The synergistic effect of TOP1 and BRD4 inhibition is specific for cancer cells leaving normal cells unharmed, highlighting the sensitivity of the tumor to these transcriptional defects. This preclinical study provides a mechanistic understanding of the benefit of combining TOP1 and BRD4 inhibitors to treat pancreatic carcinomas addicted to oncogenic drivers of high transcription and replication. One Sentence Summary TOP1 and BRD4 inhibitors synergize to selectively kill pancreatic cancer in vivo via readthrough transcription without emergence of drug resistance

How spatial chromosome organization influences genome integrity is still poorly understood. Here we show that DNA double-strand breaks (DSBs) mediated by topoisomerase 2 (TOP2) activities, are enriched at chromatin loop anchors with high transcriptional activity. Recurrent DSBs occur at CTCF/cohesin bound sites at the bases of chromatin loops and their frequency positively correlates with transcriptional output and directionality. The physiological relevance of this preferential positioning is indicated by the finding that genes recurrently translocating to drive leukemias, are highly transcribed and are enriched at loop anchors. These genes accumulate DSBs at recurrent hot spots that give rise to chromosomal fusions relying on the activity of both TOP2 isoforms and on transcriptional elongation. We propose that transcription and 3D chromosome folding jointly pose a threat to genomic stability, and are key contributors to the occurrence of genome rearrangements that drive cancer.

Abstract Topoisomerases are essential for the replication of herpesviruses but the mechanisms by which the viruses hijack the cellular enzymes are largely unknown. We found that topoisomerase-II (TOP2) is a substrate of the Epstein-Barr virus (EBV) ubiquitin deconjugase BPLF1. BPLF1 selectively inhibited the ubiquitination of TOP2 following treatment with topoisomerase poisons, interacted with TOP2α and TOP2β in co-immunoprecipitation and in vitro pull-down, stabilized Etoposide-trapped TOP2 cleavage complexes (TOP2cc) and promoted TOP2 SUMOylation, which halted the DNA-damage response and reduced Etoposide toxicity. Induction of the productive virus cycle promoted the accumulation of TOP2βcc, enhanced TOP2β SUMOylation, and reduced Etoposide toxicity in lymphoblastoid cell lines carrying recombinant EBV encoding the active enzyme. Attenuation of this phenotype upon expression of a catalytic mutant BPLF1-C61A impaired viral DNA synthesis and virus release. These findings highlight a previously unrecognized function of BPLF1 in promoting non-proteolytic pathways for TOP2cc debulking that favor cell survival and virus production.