Pericentrin and γ-tubulin are integral centrosome proteins that play a role in microtubule nucleation and organization. In this study, we examined the relationship between these proteins in the cytoplasm and at the centrosome. In extracts prepared from Xenopus eggs, the proteins were part of a large complex as demonstrated by sucrose gradient sedimentation, gel filtration and coimmunoprecipitation analysis. The pericentrin–γ-tubulin complex was distinct from the previously described γ-tubulin ring complex (γ-TuRC) as purified γ-TuRC fractions did not contain detectable pericentrin. When assembled at the centrosome, the two proteins remained in close proximity as shown by fluorescence resonance energy transfer. The three- dimensional organization of the centrosome-associated fraction of these proteins was determined using an improved immunofluorescence method. This analysis revealed a novel reticular lattice that was conserved from mammals to amphibians, and was organized independent of centrioles. The lattice changed dramatically during the cell cycle, enlarging from G1 until mitosis, then rapidly disassembling as cells exited mitosis. In cells colabeled to detect centrosomes and nucleated microtubules, lattice elements appeared to contact the minus ends of nucleated microtubules. Our results indicate that pericentrin and γ-tubulin assemble into a unique centrosome lattice that represents the higher-order organization of microtubule nucleating sites at the centrosome.

Abstract The chromatin associated with the nuclear lamina (NL) is referred to as Lamina-Associated Domains (LADs). While mapping of this feature has been done using various technologies, technical limitations exist for each of the methods. Here, we present an adaptation of the Tyramide-Signal Amplification sequencing (TSA-seq) protocol, which we call chromatin pull down-based TSA-seq (cTSA-seq), that can be used to map chromatin regions at or near the NL from as little as 50,000 cells without using carriers. The cTSA-seq mapped regions are composed of LADs and smaller chromatin regions that fall within the chromatin B-compartment known to be enriched for heterochromatin and be present at the nuclear periphery. As a proof of principle, we used cTSA-seq to map chromatin at or near the assembling NL as cells exit mitosis and progress through early and later G1. Consistent with previous reports, lamin-B1 based cTSA-seq revealed that regions toward the distal ends of chromosomes are near or at the reassembling NL during early G1. The cTSA-seq mapping and analyses revealed similarity between the early G1 chromatin and oncogene-induced senescent cell populations. The cTSA-seq reported here represents a useful method for analyzing chromatin at or near the NL from small numbers of cells.

Abstract Many hard and soft corals harbor algae for photosynthesis. The algae live inside coral cells in a specialized membrane compartment called symbiosome, which shares the photosynthetically fixed carbon with coral host cells, while host cells provide inorganic carbon for photosynthesis 1 . This endosymbiotic relationship is critical for corals, but increased environmental stresses are causing corals to expel their endosymbiotic algae, i.e. coral bleaching, leading to coral death and degradation of marine ecosystem 2 . To date, the molecular pathways that orchestrate algal recognition, uptake, and maintenance in coral cells remain poorly understood. We report chromosome-level genome assembly of a fast-growing soft coral, Xenia species ( sp. ) 3 , and its use as a model to decipher the coral-algae endosymbiosis. Single cell RNA-sequencing (scRNA-seq) identified 13 cell types, including gastrodermis and cnidocytes, in Xenia sp . Importantly, we identified the endosymbiotic cell type that expresses a unique set of genes implicated in the recognition, phagocytosis/endocytosis, maintenance of algae, and host coral cell immune modulation. By applying scRNA-seq to investigate algal uptake in our new Xenia sp .. regeneration model, we uncovered a dynamic lineage progression from endosymbiotic progenitor state to mature endosymbiotic and post-endosymbiotic cell states. The evolutionarily conserved genes associated with the endosymbiotic process reported herein open the door to decipher common principles by which different corals uptake and expel their endosymbionts. Our study demonstrates the potential of single cell analyses to examine the similarities and differences of the endosymbiotic lifestyle among different coral species.

The nuclear lamina (NL) is a proteinaceous network found beneath the inner nuclear membrane. The NL is linked to a number of dynamic cellular activities including chromatin organization, transcription and RNA/protein trafficking through nuclear pores. Our understanding of the NL has been hindered in part by the general insolubility and low extractability of proteins from this region. This has spurred the development of proximity ligation methods that label proteins and/or DNA near the NL for systematic identification (Bar et al., 2018; Chen et al., 2018b; Guelen et al., 2008; Roux et al., 2012). To simplify labeling and improve temporal resolution, we fused APEX2 (Hung et al., 2014; Lam et al., 2015) to the nuclear lamina protein lamin-B1 to map proteins, RNA and DNA associated with the NL. We show that APEX2 labeling of the NL is robust and requires as little as 20 seconds. In addition to identifying the NL proteome, this method revealed NL-proximal RNA species that were largely spliced. These NL-proximal RNAs show a bias toward long 3' UTRs, suggesting an RNA-regulatory role of the NL. This is further supported by the finding of a bias toward longer 3' UTRs in genes deregulated in lamin-null cells. Interestingly, these RNAs share a sequence motif in their 3' UTRs. Finally, we demonstrate that the APEX2 method can reliably map lamina-associated domains (LADs) at different stages of the cell cycle, revealing a variability of short LADs regions enriched for histone lysine 27 trimethylation (H3K27me3). Thus the APEX2 method report here is a useful addition to the molecular toolbox for the study of the NL and permits the identification of proteome, transcriptome, and genome elements associated with this nuclear substructure.

Abstract In mammalian cell nuclei, the nuclear lamina (NL) underlies the nuclear envelope (NE) to maintain nuclear structure. The nuclear lamins, the major structural components of the NL, are involved in the protection against NE rupture induced by mechanical stress. However, the specific role of the lamins in repair of NE ruptures has not been fully determined. Our analyses using immunofluorescence and live-cell imaging revealed that lamin C but not the other lamin isoforms rapidly accumulated at sites of NE rupture induced by laser microirradiation in mouse embryonic fibroblasts. The immunoglobulin-like fold domain and the NLS were required for the recruitment from the nucleoplasm to the rupture sites with the Barrier-to-autointegration factor (BAF). The accumulation of nuclear BAF and cytoplasmic cyclic GMP-AMP synthase (cGAS) at the rupture sites was in part dependent on lamin A/C. These results suggest that nucleoplasmic lamin C, BAF and cGAS concertedly accumulate at sites of NE rupture for repair. Summary Kono et al. show the rapid recruitment of nucleoplasmic lamin C to sites of nuclear envelope rupture with Barrier-to-autointegration factor. Lamin A/C is also involved in nuclear DNA sensing with cytoplasmic cGAS at the ruptured sites.

Nuclear lamin isoforms assemble into fibrous meshworks within the nuclear lamina (NL) where they are associated with nuclear pore complexes (NPCs). Although the lamins and NPCs are major components of the nuclear envelope (NE), little is known about their structural relationships. We used 3D structured illumination microscopy (3D-SIM) and sub-pixel image analysis to show that NPCs are closely associated with lamin fibers in mouse embryonic fibroblasts (MEFs). When lamin A/C (LA/C) or lamin B1 (LB1) are removed by gene knockout, the NPCs retained their association and redistributed with the resulting enlarged lamin meshworks. Cryo-ET revealed that more LA/C than LB1 fibers contacted the nucleoplasmic ring of NPCs. Knockdown of the outer ring nucleoporin ELYS induced NPC clusters that excluded LA/C fibers. Knockdown of the basket nucleoporin TPR reduced the size of LA/C, LB1, and LB2 meshworks while retaining their close association with NPCs. NUP153 knockdown reduced LA/C and B2 meshwork size in wild type (WT) MEFs and caused NPC clustering in nuclei lacking LB1. Therefore, lamins and nucleoporins act together to maintain the organization and distribution of lamin meshworks and NPCs.

Much effort has been devoted to understand how chromatin modification regulates development and disease. Despite recent progress, however, it remains difficult to achieve high sensitivity and reliability of chromatin-immunoprecipitation-coupled deep sequencing (ChIP-seq) to map the epigenome and global transcription factor binding sites in cell populations of low cell abundance. We present a new Atlantis dsDNase-based technology, aFARP-ChIP-seq, that provides accurate profiling of genome-wide histone modifications in as few as 100 cells. By mapping histone lysine trimethylation (H3K4me3) and H3K27Ac in group I innate lymphoid cells from different tissues, aFARP-ChIP-seq uncovers potentially distinct active promoter and enhancer landscapes of several tissue-specific NK and ILC1. aFARP-ChIP-seq is also highly effective in mapping transcription factor binding sites in small number of cells. Since aFARP-ChIP-seq offers reproducible DNA fragmentation, it should allow multiplexing ChIP-seq of both histone modifications and transcription factor binding sites for low cell samples.

Abstract The computational inference of genome organization based on Hi-C sequencing has greatly aided the understanding of chromatin and nuclear organization in three dimensions (3D). However, existing computational methods used to infer sub-compartments from Hi-C data fail to address the cell population heterogeneity. Here we describe a model-based method, called CscoreTool-M, which uses probabilistic modeling to build multiple 3D genome sub-compartments from Hi-C data. The compartment scores inferred using CscoreTool-M directly represents the probability of a genomic region locating in a specific sub-compartment. Compared to published methods, CscoreTool-M is more accurate in inferring local sub-compartment containing heterochromatin marked by Histone lysine trimethylation (H3K27me3) surrounded by the actively transcribed euchromatic regions. The compartment scores calculated by CscoreTool-M also help to quantify the levels of heterogeneity in sub-compartment localization within cell populations for different genomic regions. By comparing proliferating cells and terminally differentiated non-proliferating cells, we show that the proliferating cells have higher genome organization heterogeneity, which is likely caused by cells at different cell-cycle stages. By analyzing 10 sub-compartments, we found a sub-compartment containing chromatin potentially related to the early-G1 chromatin regions proximal to the nuclear lamina in HCT116 cells, suggesting the method can deconvolve cell cycle stage-specific genome organization among asynchronously dividing cells. Finally, we show that CscoreTool-M can further identify sub-compartments that contain genes enriched in housekeeping or cell-type-specific functions.

Abstract Many corals form a mutually beneficial relationship with the dinoflagellate algae called Symbiodiniaceae . Cells in the coral gastrodermis recognize, phagocytose, and house the algae in an organelle called symbiosome, which supports algae photosynthesis and nutrient exchange with corals 1–3 . Rising ocean temperature disrupts this endosymbiotic relationship, leading to alga loss, coral bleaching and death, and the degradation of marine ecosystems 4–6 . Mitigation of coral death requires a mechanistic understanding of coral-algal endosymbiosis. We have developed genomic resources to enable the use of a soft coral Xenia species as a model to study coral-algal endosymbiosis 7 . Here we report an effective RNA interference (RNAi) method and its application in the functional studies of genes involved in early steps of endosymbiosis. We show that an endosymbiotic cell marker called LePin (for its Le ctin and kazal P rotease in hibitor domains) is a secreted lectin that binds to algae to initiate the formation of alga-containing endosymbiotic cells. The evolutionary conservation of LePin among marine endosymbiotic anthozoans suggests a general role in coral-algal recognition. Coupling bioinformatics analyses with RNAi and single cell (sc)-RNA-seq, we uncover three gene expression programs (GEP) influenced by LePin during the early and middle stages of endosymbiotic lineage development. Further studies of genes in these GEPs lead to the identification of two scavenger receptors that support the formation of alga-containing endosymbiotic cells, most likely by initiating phagocytosis and modulating coral immune response. We also identify two actin regulators for endosymbiosis, which shed light on the phagocytic machinery and a possible mechanism for symbiosome formation. Our findings should usher in an era of mechanistic studies of coral-algal endosymbiosis.

Abstract α- and β-tubulin form heterodimers, with GTPase activity, that assemble into microtubules. Like other GTPases, the nucleotide-bound state of tubulin heterodimers controls whether the molecules are in a biologically active or inactive state. While α-tubulin in the heterodimer is constitutively bound to GTP, β-tubulin can be bound to either GDP (GDP-tubulin) or GTP (GTP-tubulin). GTP-tubulin hydrolyzes its GTP to GDP following assembly into a microtubule and, upon disassembly, must exchange its bound GDP for GTP to participate in subsequent microtubule polymerization. Tubulin dimers have been shown to exhibit rapid intrinsic nucleotide exchange in vitro, leading to a commonly accepted belief that a tubulin guanine nucleotide exchange factor (GEF) may be unnecessary in cells. Here, we use quantitative binding assays to show that BuGZ, a spindle assembly factor, binds tightly to GDP-tubulin, less tightly to GTP-tubulin, and weakly to microtubules. We further show that BuGZ promotes the incorporation of GTP into tubulin using a nucleotide exchange assay. The discovery of a tubulin GEF suggests a mechanism that may aid rapid microtubule assembly dynamics in cells.