Summary

 MicroRNA (miRNA) maturation is initiated by Microprocessor composed of RNase III DROSHA and its cofactor DGCR8, whose fidelity is critical for generation of functional miRNAs. To understand how Microprocessor recognizes pri-miRNAs, we here reconstitute human Microprocessor with purified recombinant proteins. We find that Microprocessor is an ∼364 kDa heterotrimeric complex of one DROSHA and two DGCR8 molecules. Together with a 23-amino acid peptide from DGCR8, DROSHA constitutes a minimal functional core. DROSHA serves as a "ruler" by measuring 11 bp from the basal ssRNA-dsRNA junction. DGCR8 interacts with the stem and apical elements through its dsRNA-binding domains and RNA-binding heme domain, respectively, allowing efficient and accurate processing. DROSHA and DGCR8, respectively, recognize the basal UG and apical UGU motifs, which ensure proper orientation of the complex. These findings clarify controversies over the action mechanism of DROSHA and allow us to build a general model for pri-miRNA processing.

Nucleosomal histone H2A is exchanged for its variant H2A.Z by the SWR1 chromatin remodeler, but the mechanism and timing of histone exchange remain unclear. Here, we quantify DNA and histone dynamics during histone exchange in real time using a three-color single-molecule FRET assay. We show that SWR1 operates with timed precision to unwrap DNA with large displacement from one face of the nucleosome, remove H2A-H2B from the same face, and rewrap DNA, all within 2.3 s. This productive DNA unwrapping requires full SWR1 activation and differs from unproductive, smaller-scale DNA unwrapping caused by SWR1 binding alone. On an asymmetrically positioned nucleosome, SWR1 intrinsically senses long-linker DNA to preferentially exchange H2A.Z on the distal face as observed in vivo. The displaced H2A-H2B dimer remains briefly associated with the SWR1-nucleosome complex and is dissociated by histone chaperones. These findings reveal how SWR1 coordinates DNA unwrapping with histone dynamics to rapidly and accurately place H2A.Z at physiological sites on chromatin.

Abstract Nucleosomal histone H2A is exchanged for its variant H2A.Z by the SWR1 chromatin remodeler, but the mechanism and timing of histone exchange remain unclear. Here, we quantify DNA and histone dynamics during histone exchange in real-time using a three-color single-molecule FRET assay. We show that SWR1 operates with timed precision to unwrap DNA with large displacement from one face of the nucleosome, remove H2A-H2B from the same face, and rewrap DNA, all within 2.3 seconds. Such productive DNA unwrapping requires full SWR1 activation and differs from unproductive, smaller-scale DNA unwrapping caused by SWR1 binding alone. On an asymmetrically positioned nucleosome, SWR1 intrinsically senses long-linker DNA to preferentially exchange H2A.Z on the distal face as observed in vivo. The displaced H2A-H2B dimer remains briefly associated with the SWR1-nucleosome complex and is dissociated by histone chaperones. These findings reveal how SWR1 coordinates DNA unwrapping with histone dynamics to rapidly and accurately place H2A.Z at physiological sites on chromatin. One-Sentence Summary Multicolor single-molecule FRET reveals how SWR1 unwraps DNA to exchange nucleosomal H2A-H2B for H2A.Z-H2B.

ABSTRACT Although Argonaute (AGO) proteins have been the focus of microRNA (miRNA) studies, we observed AGO-free mature miRNAs directly interacting with RNA-binding proteins, implying the sophisticated nature of fine-tuning gene regulation by miRNAs. To investigate microRNA-binding proteins (miRBPs) globally, we analyzed PAR-CLIP data sets to identify RBP quaking (QKI) as a novel miRBP for let-7b. Potential existence of AGO-free miRNAs were further verified in genetically engineered AGO-depleted human and mouse cells. We have shown that QKI serves as an auxiliary factor empowering AGO2/let-7b-mediated gene silencing. Depletion of QKI decreases interaction of AGO2 with let-7b and target mRNA, consequently controlling target mRNA decay. QKI, however, also suppresses the dissociation of let-7b from AGO2, and slows assembly of AGO2/miRNA/target mRNA complexes at the single-molecule level. We also revealed that QKI suppresses cMYC expression at post-transcriptional level, and decreases proliferation and migration of HeLa cells, demonstrating that QKI is a tumor suppressor gene by in part augmenting let-7b activity. Our data show that QKI is a new type of RBP implicated in the versatile regulation of miRNA-mediated gene silencing.

Abstract Although integrins are known to be mechano-sensitive and to possess many subtypes that have distinct physiological roles, single molecule studies of force exertion have thus far been limited to RGD-binding integrins. Here, we show that integrin α4β1 and RGD-binding integrins (αVβ1 and α5β1) require markedly different tension thresholds to support cell spreading. Furthermore, actin assembled downstream of α4β1 forms cross-linked networks in circularly spread cells, is in rapid retrograde flow, and exerts low forces from actin polymerization. In contrast, actin assembled downstream of αVβ1 forms stress fibers linking focal adhesions in elongated cells, is in slow retrograde flow, and matures to exert high forces (>54-pN) via myosin II. Conformational activation of both integrins occurs below 12-pN, suggesting that post-activation subtype-specific cytoskeletal remodeling imposes the higher threshold for spreading on RGD substrates. Multiple layers of single integrin mechanics for activation, mechanotransduction and cytoskeleton remodeling revealed here may underlie subtype-dependence of diverse processes such as somite formation and durotaxis.