Abstract RNA-guided surveillance systems constrain the activity of transposable elements (TEs) in host genomes. In plants, RNA polymerase IV (Pol IV) transcribes TEs into primary transcripts from which RDR2 synthesizes double-stranded RNA precursors for small interfering RNAs (siRNAs) that guide TE methylation and silencing. How the core subunits of Pol IV, homologs of RNA polymerase II subunits, diverged to support siRNA biogenesis in a TE-rich, repressive chromatin context is not well understood. Here we studied the N-terminus of Pol IV’s largest subunit, NRPD1. Arabidopsis lines harboring missense mutations in this N-terminus produce wild-type (WT) levels of NRPD1, which co-purifies with other Pol IV subunits and RDR2. Our in vitro transcription and genomic analyses reveal that the NRPD1 N-terminus is critical for robust Pol IV-dependent transcription, siRNA production and DNA methylation. However, residual RNA-directed DNA methylation observed in one mutant genotype indicates that Pol IV can operate uncoupled from the high siRNA levels typically observed in WT plants. This mutation disrupts a motif uniquely conserved in Pol IV, crippling the enzyme's ability to inhibit retrotransposon mobilization. We propose that the NRPD1 N-terminus motif evolved to regulate Pol IV function in genome surveillance.

Summary In plants, selfish genetic elements including retrotransposons and DNA viruses are transcriptionally silenced by RNA-directed DNA methylation. Guiding the process are short interfering RNAs (siRNAs) cut by DICER-LIKE 3 (DCL3) from double-stranded precursors of ∼30 bp synthesized by NUCLEAR RNA POLYMERASE IV (Pol IV) and RNA-DEPENDENT RNA POLYMERASE 2 (RDR2). We show that Pol IV initiating nucleotide choice, RDR2 initiation 1-2 nt internal to Pol IV transcript ends and RDR2 terminal transferase activity collectively yield a code that influences which end of the precursor is diced and whether 24 or 23 nt siRNAs are generated from the Pol IV or RDR2-transcribed strands. By diversifying the size, sequence, and strand polarity of siRNAs derived from a given precursor, alternative patterns of DCL3 dicing allow maximal siRNA coverage at methylated target loci.

Abstract RNA-dependent RNA polymerases play essential roles in RNA-mediated gene silencing in eukaryotes. In Arabidopsis , RNA-DEPENDENT RNA POLYMERASE 2 (RDR2) physically interacts with DNA-dependent NUCLEAR RNA POLYMERASE IV (Pol IV) and their activities are tightly coupled, with Pol IV transcriptional arrest or termination, involving the nontemplate DNA strand, somehow enabling RDR2 to engage Pol IV transcripts and generate double-stranded RNAs. The dsRNAs are then released from the Pol IV-RDR2 complex and diced into siRNAs that guide RNA-directed DNA methylation and silencing. Here we report the structure of full-length RDR2, at an overall resolution of 3.1 Å, determined by cryo-electron microscopy. The N-terminal region contains an RNA-recognition motif (RRM) adjacent to a positively charged channel that leads to a catalytic center with striking structural homology to the catalytic centers of multisubunit DNA-dependent RNA polymerases. We show that RDR2 initiates 1-2 nucleotides (nt) internal to the 3’ ends of its templates and can transcribe the RNA of an RNA-DNA hybrid provided that 9 or more nucleotides at the RNA’s 3’ end is unpaired. Using a nucleic acid configuration that mimics the arrangement of RNA and DNA strands upon Pol IV transcriptional arrest, we show that displacement of the RNA 3’ end occurs as the DNA template and non-template strands reanneal, enabling RDR2 transcription. These results suggest a model in which Pol IV arrest and backtracking displaces the RNA 3’ end as the DNA strands reanneal, allowing RDR2 to engage the RNA and transcribe the second strand. Significance RDR2 is critical for siRNA-directed DNA methylation in Arabidopsis, functioning in physical association with DNA-dependent Pol IV to synthesize the second strands of double-stranded siRNA precursors. Basepairing between the DNA template strand transcribed by Pol IV and the nontemplate DNA strand is known to induce Pol IV arrest and Pol IV-RDR2 transcriptional coupling, but how this occurs is unknown. We report the structure of RDR2 and experimental evidence for how RDR2 engages its RNA templates and initiates transcription. RDR2 engages the ends of RNAs displaced from RNA-DNA hybrids, suggesting a model in which Pol IV arrest and backtracking, accompanied by DNA strand reannealing, extrudes the 3’ end of the Pol IV transcript, allowing RNA engagement and second-strand synthesis.

Plant multisubunit RNA Polymerase V transcription recruits Argonaute siRNA complexes that specify sites of RNA-directed DNA methylation (RdDM) for gene silencing. Pol V's largest subunit, NRPE1, evolved from the largest subunit of Pol II but has a distinctive carboxyl-terminal domain (CTD). We show that the Pol V CTD is dispensable for catalytic activity in vitro, yet essential in vivo. One CTD subdomain (DeCL) is required for Pol V function at virtually all loci. Other CTD subdomains have locus-specific effects. In a yeast two-hybrid screen, the 3-prime to 5-prime exoribonuclease, RRP6L1 was identified as an interactor with the DeCL and glutamine-serine-rich (QS) subdomains, located downstream from an Argonaute-binding repeat subdomain. Experimental evidence indicates that RRP6L1 trims the 3-prime ends of Pol V transcripts sliced by ARGONAUTE 4 (AGO4), suggesting a model whereby the CTD enables the spatial and temporal coordination of AGO4 and RRP6L1 RNA processing activities.

In eukaryotes with multiple small RNA pathways the mechanisms that channel RNAs within specific pathways are unclear. Here, we reveal the reactions that account for channeling in the siRNA biogenesis phase of the Arabidopsis RNA-directed DNA methylation pathway. The process begins with template DNA transcription by NUCLEAR RNA POLYMERASE IV (Pol IV) whose atypical termination mechanism, induced by nontemplate DNA basepairing, channels transcripts to the associated RNA-dependent RNA polymerase, RDR2. RDR2 converts Pol IV transcripts into double-stranded RNAs then typically adds an extra untemplated 3' terminal nucleotide to the second strands. The dicer endonuclease, DCL3 cuts resulting duplexes to generate 24 and 23nt siRNAs. The 23nt RNAs bear the untemplated terminal nucleotide of the RDR2 strand and are underrepresented among ARGONAUTE4-associated siRNAs. Collectively, our results provide mechanistic insights into Pol IV termination, Pol IV-RDR2 coupling and RNA channeling from template DNA transcription to siRNA guide strand/passenger strand discrimination.

Abstract In plants, transcription of selfish genetic elements such as transposons and DNA viruses is suppressed by RNA-directed DNA methylation. This process is guided by 24 nt short-interfering RNAs (siRNAs) whose double-stranded precursors are synthesized by DNA-dependent NUCLEAR RNA POLYMERASE IV (Pol IV) and RNA-DEPENDENT RNA POLYMERASE 2 (RDR2). Pol IV and RDR2 co-immunoprecipitate, and their activities are tightly coupled, yet the basis for their association is unknown. Here, we show that RDR2 stably associates with Pol IV’s largest catalytic subunit, NRPD1 at three sites, all within the clamp module. The clamp is a ubiquitous feature of DNA-dependent RNA polymerases that opens to allow DNA template entry and closes to encase the DNA-RNA hybrid adjacent to the RNA exit channel. The clamp also provides binding sites for polymerase-specific subunits or regulatory proteins, thus RDR2 binding to the Pol IV clamp is consistent with this theme. Within RDR2, the site of interaction with NRPD1 is very near the catalytic center. The locations of the NRPD1-RDR2 contact sites suggest a model in which transcripts emanating from Pol IV’s RNA exit channel align with the template cleft of RDR2, facilitating rapid conversion of terminated Pol IV transcripts into double-stranded RNAs. Significance Statement Short interfering RNAs (siRNAs) play important roles in gene regulation by inhibiting mRNA translation into proteins or by guiding chromatin modifications that inhibit gene transcription. In plants, transcriptional gene silencing is guided by siRNAs derived from double-stranded (ds) RNAs generated by coupling the activities of DNA-dependent NUCLEAR RNA POLYMERASE IV and RNA-DEPENDENT RNA POLYMERASE 2. We show that the physical basis for Pol IV-RDR2 coupling is RDR2 binding to the clamp domain of Pol IV’s largest subunit. The positions of the protein docking sites suggest that nascent Pol IV transcripts are generated in close proximity to RDR2’s catalytic site, enabling rapid conversion of Pol IV transcripts into dsRNAs.

Plant nuclear multisubunit RNA polymerase IV plays a key role in the RNA-directed DNA methylation (RdDM) pathway for transcriptional silencing of transposons, viruses and specific genes by synthesizing precursors of 24 nt siRNAs that guide the process. The Pol IV largest subunit, NRPD1 is derived from the Pol II largest subunit but has a unique carboxy-terminal domain (CTD) of unknown function. We show that the NRPD1 CTD is critical for transcriptional silencing of target loci and for producing 24 nt siRNAs at high levels. However, the CTD is surprisingly dispensable for near wild-type levels of Pol IV-dependent genomic cytosine methylation. These results suggest that low levels of 24 nt siRNAs, produced at only 20-30% of wild-type levels, are sufficient for full RNA-directed DNA methylation, yet insufficient for silencing, suggesting additional roles for siRNAs beyond DNA methylation. Moreover, at a subset of target loci, neither siRNA levels nor cytosine methylation are impaired upon deletion of the CTD, yet silencing is lost. Collectively, the non-linear relationships between siRNA levels, cytosine methylation and silencing suggest the existence of additional mechanisms of silencing dependent on Pol IV transcription and mediated by the CTD, such as promoter occlusion to inhibit the activities of other polymerases.

Abstract Catalytic subunits of DNA-dependent RNA polymerases of bacteria, archaea and eukaryotes share hundreds of ultra-conserved amino acids. Remarkably, the plant-specific RNA silencing enzymes, Pol IV and Pol V differ from Pols I, II and III at ~140 of these positions, yet remain capable of RNA synthesis. Whether these amino acid changes in Pols IV and V alter their catalytic properties in comparison to Pol II, from which they evolved, is unknown. Here, we show that Pols IV and V differ from one another, and Pol II, in nucleotide incorporation rate, transcriptional accuracy and the ability to discriminate between ribonucleotides and deoxyribonucleotides. Pol IV transcription is notably error-prone, which may be tolerable, or even beneficial, for biosynthesis of siRNAs targeting transposon families in trans. By contrast, Pol V exhibits high fidelity transcription, suggesting a need for Pol V transcripts to faithfully reflect the DNA sequence of target loci in order to recruit siRNA-Argonaute protein silencing complexes.

Hybrid incompatibility resulting from deleterious gene combinations is thought to be an important step towards reproductive isolation and speciation. Here we demonstrate involvement of a silent epiallele in hybrid incompatibility. In Arabidopsis thaliana strain Col-0, one of the two copies of a duplicated histidine biosynthesis gene, HISN6B is not expressed, for reasons that have been unclear, making its paralog, HISN6A essential. By contrast, in strain Cvi-0, HISN6B is essential because HISN6A is mutated. As a result of these differences, Cvi-0 x Col-0 hybrid progeny that are homozygous for both Col-0 HISN6B and Cvi-0 HISN6A do not survive. We show that HISN6B is not a defective pseudogene in the Col-0 strain, but a stably silenced epiallele. Mutating HISTONE DEACETYLASE 6 (HDA6) or the cytosine methyltransferase genes, MET1 or CMT3 erases HISN6B's silent locus identity in Col-0, reanimating the gene such that hisn6a lethality and hybrid incompatibility are circumvented. These results show that HISN6-dependent hybrid lethality is a revertible epigenetic phenomenon and provide additional evidence that epigenetic variation has the potential to limit gene flow between diverging populations of a species.