ABSTRACT Genome replication is a fundamental biological activity shared by all organisms. Chromosomal replication proceeds bidirectionally from origins, requiring the loading of two helicases, one for each replisome. The molecular mechanisms for helicase loading at bacterial chromosome origins ( oriC ) are unclear. Here we investigated the essential DNA replication initiation protein DnaD in the model organism Bacillus subtilis. A set of DnaD residues required for ssDNA binding was identified, and photo-crosslinking revealed that this ssDNA binding region interacts preferentially with one strand of oriC. Biochemical and genetic data support the model that DnaD recognizes a new single-stranded DNA (ssDNA) motif located in oriC ( D naD R ecognition E lement, “DRE”). Considered with cryo-electron microscopy (cryo-EM) imaging of full length DnaD, we propose that the location of the DRE within the oriC orchestrates strand-specific recruitment of helicase to achieve bidirectional DNA replication. These findings significantly advance our mechanistic understanding of bidirectional replication from a bacterial chromosome origin.

ABSTRACT Bidirectional DNA replication from a chromosome origin requires the asymmetric loading of two helicases, one for each replisome. Our understanding of the molecular mechanisms underpinning helicase loading at bacterial chromosome origins is incomplete. Here we report both positive and negative mechanisms for directing helicase recruitment in the model organism Bacillus subtilis . Systematic characterization of the essential initiation protein DnaD revealed distinct protein interfaces required for homo-oligomerization, interaction with the master initiator protein DnaA, and interaction with the helicase co-loader protein DnaB. Informed by these properties of DnaD, we went on to find that the developmentally expressed repressor of DNA replication initiation, SirA, blocks the interaction between DnaD with DnaA, thereby inhibiting helicase recruitment to the origin during sporulation. These results advance our understanding of the mechanisms underpinning DNA replication initiation in B. subtilis , as well as guiding the search for essential cellular activities to target for antimicrobial drug design.

ABSTRACT The mechanisms responsible for helicase loading during the initiation of chromosome replication in bacteria are unclear. Here we report both a positive and a negative mechanism for directing helicase recruitment in the model organism Bacillus subtilis . Systematic mutagenesis of the essential replication initiation gene dnaD and characterization of DnaD variants revealed protein interfaces required for interacting with the master initiator DnaA and with a specific single-stranded DNA (ssDNA) sequence located in the chromosome origin ( D naD R ecognition E lement, “DRE”). We propose that the location of the DRE within the replication origin orchestrates recruitment of helicase to achieve bidirectional DNA replication. We also report that the developmentally expressed repressor of DNA replication initiation, SirA, acts by blocking the interaction of DnaD with DnaA, thereby inhibiting helicase recruitment to the origin. These findings significantly advance our mechanistic understanding of helicase recruitment and regulation during bacterial DNA replication initiation. Because DnaD is essential for the viability of clinically relevant Gram-positive pathogens, DnaD is an attractive target for drug development.