Abstract Supercoiling impacts DNA replication, transcription, protein binding to DNA, and the three-dimensional organization of chromosomes. However, there are currently no methods to directly interrogate or map positive supercoils, so their distribution in genomes remains unknown. Here, we describe a method, GapR-seq, based on the chromatin immunoprecipitation of GapR, a bacterial protein that preferentially recognizes overtwisted DNA, for generating high-resolution maps of positive supercoiling. Applying this method to E. coli and S. cerevisiae , we find that positive supercoiling is widespread, associated with transcription, and particularly enriched between convergently-oriented genes, consistent with the “twin-domain” model of supercoiling. In yeast, we also find positive supercoils associated with centromeres, cohesin binding sites, autonomously replicating sites, and the borders of R-loops (DNA-RNA hybrids). Our results suggest that GapR-seq is a powerful approach, likely applicable in any organism, to investigate aspects of chromosome structure and organization not accessible by Hi-C or other existing methods.

Nucleolar morphology is a well-established indicator of ribosome biogenesis activity that has served as the foundation of many screens investigating ribosome production. Missing from this field of study is a broad-scale investigation of the regulation of ribosomal DNA morphology, despite the essential role of rRNA gene transcription in modulating ribosome output. We hypothesized that the morphology of rDNA arrays reflects ribosome biogenesis activity. We established GapR-GFP, a prokaryotic DNA-binding protein that recognizes transcriptionally-induced overtwisted DNA, as a live visual fluorescent marker for quantitative analysis of rDNA organization in Schizosaccharomyces pombe . We found that the morphology—which we refer to as spatial organization—of the rDNA arrays is dynamic throughout the cell cycle, under glucose starvation, RNA pol I inhibition, and TOR activation. Screening the haploid S . pombe Bioneer deletion collection for spatial organization phenotypes revealed large ribosomal protein (RPL) gene deletions that alter rDNA organization. Further work revealed RPL gene deletion mutants with altered rDNA organization also demonstrate resistance to the TOR inhibitor Torin1. A genetic analysis of signaling pathways essential for this resistance phenotype implicated many factors including a conserved MAPK, Pmk1, previously linked to extracellular stress responses. We propose RPL gene deletion triggers altered rDNA morphology due to compensatory changes in ribosome biogenesis via multiple signaling pathways, and we further suggest compensatory responses may contribute to human diseases such as ribosomopathies. Altogether, GapR-GFP is a powerful tool for live visual reporting on rDNA morphology under myriad conditions.

Due to the importance of post-translational modification (PTM) in cellular function, viruses have evolved to both take advantage of and be susceptible to such modification. Adenovirus encodes a multifunctional protein called protein VII, which is packaged with the viral genome in the core of virions and disrupts host chromatin during infection. Protein VII has several PTMs whose addition contributes to the subnuclear localization of protein VII. Here, we used mutant viruses that abrogate or mimic these PTMs on protein VII to interrogate their impact on protein VII function during adenovirus infection. We discovered that acetylation of the lysine in positions 2 or 3 (K2 or K3) is deleterious during early infection as mutation to alanine led to greater intake of protein VII to the nucleus and enhanced early gene expression. Furthermore, we determined that protein VII is acetylated at alternative residues late during infection which may compensate for the mutated sites. Lastly, due to the role of the early viral protein E1A in viral gene activation, we investigated the interaction between protein VII and E1A and demonstrated that protein VII interacts with E1A through a chromatin-mediated interaction. Together, these results emphasize that the complexity of virus-host interactions is intimately tied to post-translational modification.

ABSTRACT This study aims to explore whether and how positive and negative supercoiling contribute to the three-dimensional (3D) organization of the bacterial genome. We used recently published Escherichia coli GapR ChIP-seq and TopoI ChIP-seq (also called EcTopoI-seq) data, which marks positive and negative supercoiling sites, respectively, to study how positive and negative supercoiling correlates with the corresponding contact frequencies obtained from chromosome conformation capture sequencing (Hi-C and 5C). We found that supercoiled chromosomal loci have overall higher Hi-C contact frequencies than sites that are not supercoiled, with positive supercoiling surprisingly corresponding to higher spatial contacts than negative supercoiling. Additionally, Hi-C contact frequencies alone could identify positive, but not negative, supercoiling with high accuracy. The majority of positive and negative supercoils coincide with highly active transcription units, with a minor group likely associated with replication and other genomic processes. Our results suggest that both positive and negative supercoiling enhance chromosome interactions, but positive supercoils contribute more than negative supercoils to bring distant chromosomal loci closer in space. Based on these results, we propose new physical models of how the E. coli chromosome is organized differentially by positive and negative supercoils.

ABSTRACT Viruses hijack host proteins to promote infection and dampen host defenses. Adenovirus encodes the multifunctional protein VII that serves both to compact viral genomes inside the virion and disrupt host chromatin. Protein VII binds the abundant nuclear protein high mobility group box 1 (HMGB1) and sequesters HMGB1 in chromatin. HMGB1 is an abundant host nuclear protein that can also be released from infected cells as an alarmin to amplify inflammatory responses. By sequestering HMGB1, protein VII prevents its release, thus inhibiting downstream inflammatory signaling. However, the consequences of this chromatin sequestration on host transcription are unknown. Here, we employ bacterial two-hybrid interaction assays and human cell biological systems to interrogate the mechanism of the protein VII-HMGB1 interaction. HMGB1 contains two DNA binding domains, the A- and B-boxes, that bend DNA to promote transcription factor binding while the C-terminal tail regulates this interaction. We demonstrate that protein VII interacts directly with the A-box of HMGB1, an interaction that is inhibited by the HMGB1 C-terminal tail. By cellular fractionation, we show that protein VII renders A-box containing constructs insoluble, thereby acting to prevent their release from cells. This sequestration is not dependent on HMGB1’s ability to bind DNA but does require post-translational modifications on protein VII. Importantly, we demonstrate that protein VII inhibits expression of interferon β, in an HMGB1- dependent manner, but does not affect transcription of downstream interferon- stimulated genes. Together, our results demonstrate that protein VII specifically harnesses HMGB1 through its A-box domain to depress the innate immune response and promote infection.