SUMMARY Transcription initiation by RNA polymerase II (Pol II) requires p reinitiation c omplex (PIC) assembly at gene promoters. In the dynamic nucleus where thousands of promoters are broadly distributed in chromatin, it is unclear how ten individual components converge on any target to establish the PIC. Here, we use live-cell, single-molecule tracking in S. cerevisiae to document subdiffusive, constrained exploration of the nucleoplasm by PIC components and Mediator’s key functions in guiding this process. On chromatin, TBP, Mediator, and Pol II instruct assembly of a short-lived PIC, which occurs infrequently but efficiently at an average promoter where initiation-coupled disassembly may occur within a few seconds. Moreover, PIC exclusion by nucleosome encroachment underscores regulated promoter accessibility by chromatin remodeling. Thus, coordinated nuclear exploration and recruitment to accessible targets underlies dynamic PIC establishment in yeast. Collectively, our study provides a global spatio-temporal model for transcription initiation in live cells.

Abstract How pioneer factors interface with chromatin to promote accessibility for transcription control is poorly understood in vivo. Here, we directly visualize chromatin association by the prototypical GAGA pioneer factor (GAF) in live Drosophila hemocytes. Single-particle tracking reveals that the majority of GAF is chromatin-bound, with a stable-binding fraction showing nucleosome-like confinement residing on chromatin for over 2 minutes, far longer than the dynamic range of most transcription factors. These kinetic properties require the full complement of GAF’s DNA-binding, multimerization and intrinsically disordered domains, and are autonomous from recruited chromatin remodelers NURF and PBAP, whose activities primarily benefit GAF’s neighbors such as HSF. Evaluation of GAF kinetics together with its endogenous abundance indicates that despite on-off dynamics, GAF constitutively and fully occupies chromatin targets, thereby providing a temporal mechanism that sustains open chromatin for transcriptional responses to homeostatic, environmental, and developmental signals.

ABSTRACT Conserved ATP-dependent chromatin remodelers establish and maintain genome-wide chromatin architectures of regulatory DNA during cellular lifespan, but the temporal interactions between remodelers and chromatin targets have been obscure. We performed live-cell single-molecule tracking for RSC, SWI/SNF, CHD1, ISW1, ISW2, and INO80 remodeling complexes in budding yeast and detected hyperkinetic behaviors for chromatin-bound molecules that frequently transition to the free state for all complexes. Chromatin-bound remodelers display notably higher diffusion than nucleosomal histones, and strikingly fast dissociation kinetics with 4-7 s mean residence times. These enhanced dynamics require ATP binding or hydrolysis by the catalytic ATPase, uncovering an additional function to its established role in nucleosome remodeling. Kinetic simulations show that multiple remodelers can repeatedly occupy the same promoter region on a timescale of minutes, implicating an unending ‘tug-of-war’ that controls a temporally shifting window of accessibility for the transcription initiation machinery.

<p>This paper proposes an efficient method for acquiring the global solution of the sum of affine ratios problem (SARP) in the reduced outer space. Using equivalence conversions, the original problem was transformed into an equivalent problem. Then, an affine relaxation problem of the equivalent problem was constructed by exploiting linearization techniques. Subsequently, an outcome space branch-and-bound algorithm was proposed, the convergence of the algorithm was proved and the computational complexity was estimated. Finally, numerical examples were presented to demonstrate the effectiveness and feasibility of the presented algorithm.</p>

The H2A.Z histone variant, a genome-wide hallmark of permissive chromatin, is enriched near transcription start sites in all eukaryotes. H2A.Z is deposited by the SWR1 chromatin remodeler and evicted by unclear mechanisms. We tracked H2A.Z in living yeast at single-molecule resolution, and found that H2A.Z eviction is dependent on RNA Polymerase II (Pol II) and the Kin28/Cdk7 kinase, which phosphorylates Serine 5 of heptapeptide repeats on the carboxy-terminal domain of the largest Pol II subunit Rpb1. These findings link H2A.Z eviction to transcription initiation, promoter escape and early elongation activities of Pol II. Because passage of Pol II through +1 nucleosomes genome-wide would obligate H2A.Z turnover, we propose that global transcription of noncoding RNAs prior to premature termination, in addition to transcription of mRNAs, are responsible for eviction of H2A.Z. Such usage of yeast Pol II suggests a general mechanism coupling eukaryotic transcription to erasure of the H2A.Z epigenetic signal.