ABSTRACT The linker histone H1 is the most abundant group of eukaryotic chromatin-binding proteins. The mechanism underlying the diverse physiological functions of H1 remains unclear. Here we used single-molecule fluorescence and force microscopy to observe the behavior of H1 on DNA under different tensions. Unexpectedly, we found that H1 coalesces around nascent ssDNA. Molecular dynamics simulations revealed that multivalent and transient interactions between H1 and ssDNA mediate their phase separation. We further showed that longer and unpaired nucleic acids result in more viscous, gel-like H1 droplets. Finally, we imaged H1 puncta in cells under normal and stressed conditions and observed that RPA and H1 occupy separate nuclear regions. Overall, our results provide a new perspective to understanding the role of H1 in genome organization and maintenance.

Polycomb repressive complex 2 (PRC2) maintains transcriptionally silent heterochromatin by installing and spreading repressive histone methylation marks along nucleosome arrays. Despite extensive research, the mechanism by which PRC2 engages with chromatin remains incompletely understood. Here we employ single-molecule force spectroscopy and molecular dynamics simulations to dissect the interactions of PRC2 with polynucleosome substrates. Our results reveal an unexpectedly diverse repertoire of PRC2 binding configurations on chromatin. Besides interacting with bare DNA, mononucleosomes, and neighboring nucleosome pairs, PRC2 is also found to bridge non-adjacent nucleosomes, an activity associated with chromatin compaction. Furthermore, the distribution and stability of these PRC2-chromatin interaction modes are differentially modulated by accessory PRC2 cofactors, oncogenic histone mutations, and the methylation state of chromatin. Overall, this work provides a paradigm for understanding the physical basis of epigenetic maintenance mediated by Polycomb group proteins.