Nucleosomes consisting of a short piece of deoxyribonucleic acid (DNA) wrapped around an octamer of histone proteins form the fundamental unit of chromatin in eukaryotes. Their role in DNA compaction comes with regulatory functions that impact essential genomic processes such as replication, transcription, and repair. The assembly of nucleosomes obeys a precise pathway in which tetramers of histones H3 and H4 bind to the DNA first to form tetrasomes, and two dimers of histones H2A and H2B are subsequently incorporated to complete the complex. As viable intermediates, we previously showed that tetrasomes can spontaneously flip between a left-handed and right-handed conformation of DNA-wrapping. To pinpoint the underlying mechanism, here we investigated the role of the H3-H3 interface for tetramer flexibility in the flipping process at the single-molecule level. Using freely orbiting magnetic tweezers, we studied the assembly and structural dynamics of individual tetrasomes modified at the cysteines close to this interaction interface by iodoacetamide (IA) in real time. While such modification did not affect the structural properties of the tetrasomes, it caused a 3-fold change in their flipping kinetics. The results indicate that the IA-modification enhances the conformational plasticity of tetrasomes. Our findings suggest that subnucleosomal dynamics may be employed by chromatin as an intrinsic and adjustable mechanism to regulate DNA supercoiling.

2.
A. L.
Olins
and
D. E.
Olins
,
Science
183
,
330
(
1974
).
3.
P.
Oudet
,
M.
Gross-Bellard
, and
P.
Chambon
,
Cell
4
,
281
(
1975
).
4.
T. J.
Richmond
,
J. T.
Finch
,
B.
Rushton
,
D.
Rhodes
, and
A.
Klug
,
Nature
311
,
532
(
1984
).
5.
K.
Luger
,
A. W.
Mäder
,
R. K.
Richmond
,
D. F.
Sargent
, and
T. J.
Richmond
,
Nature
389
,
251
(
1997
).
6.
C. A.
Davey
,
D. F.
Sargent
,
K.
Luger
,
A. W.
Maeder
, and
T. J.
Richmond
,
J. Mol. Biol.
319
,
1097
(
2002
).
7.
A.
Klug
,
D.
Rhodes
,
J.
Smith
,
J. T.
Finch
, and
J. O.
Thomas
,
Nature
287
,
509
(
1980
).
8.
G.
Arents
,
R. W.
Burlingame
,
B. C.
Wang
,
W. E.
Love
, and
E. N.
Moudrianakis
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
88
,
10148
(
1991
).
9.
S. E.
Polo
and
G.
Almouzni
,
Curr. Opin. Genet. Dev.
16
,
104
(
2006
).
11.
A.
Lusser
,
D. L.
Urwin
, and
J. T.
Kadonaga
,
Nat. Struct. Mol. Biol.
12
,
160
(
2005
).
12.
A.
Lusser
and
J. T.
Kadonaga
,
Nat. Methods
1
,
19
(
2004
).
14.
B.
Li
,
M.
Carey
, and
J. L.
Workman
,
Cell
128
,
707
(
2007
).
15.
O. J.
Rando
and
H. Y.
Chang
,
Annu. Rev. Biochem.
78
,
245
(
2009
).
16.
G. E.
Zentner
and
S.
Henikoff
,
Nat. Struct. Mol. Biol.
20
,
259
(
2013
).
17.
R. K.
McGinty
and
S.
Tan
,
Chem. Rev.
115
,
2255
(
2015
).
18.
O.
Ordu
,
A.
Lusser
, and
N. H.
Dekker
,
Biophys. Rev.
8
,
33
(
2016
).
19.
G.
Li
,
M.
Levitus
,
C.
Bustamante
, and
J.
Widom
,
Nat. Struct. Mol. Biol.
12
,
46
(
2005
).
20.
W. J. A.
Koopmans
,
A.
Brehm
,
C.
Logie
,
T.
Schmidt
, and
J.
van Noort
,
J. Fluoresc.
17
,
785
(
2007
).
21.
A.
Miyagi
,
T.
Ando
, and
Y. L.
Lyubchenko
,
Biochemistry
50
,
7901
(
2011
).
22.
S.
Wei
,
S. J.
Falk
,
B. E.
Black
, and
T. H.
Lee
,
Nucleic Acids Res.
43
,
e111
(
2015
).
23.
T. T.
Ngo
and
T.
Ha
,
Nucleic Acids Res.
43
,
3964
(
2015
).
24.
G. D.
Bowman
and
M. G.
Poirier
,
Chem. Rev.
115
,
2274
(
2015
).
25.
C. R.
Clapier
and
B. R.
Cairns
,
Annu. Rev. Biochem.
78
,
273
(
2009
).
26.
P. B.
Talbert
and
S.
Henikoff
,
Nat. Rev. Mol. Cell Biol.
11
,
264
(
2010
).
27.
P. B.
Talbert
and
S.
Henikoff
,
Nat. Rev. Mol. Cell Biol.
18
,
115
(
2017
).
28.
A. J.
Andrews
and
K.
Luger
,
Annu. Rev. Biophys.
40
,
99
(
2011
).
29.
B.
Sollner-Webb
,
R. D.
Camerini-Otero
, and
G.
Felsenfeld
,
Cell
9
,
179
(
1976
).
30.
M.
Bina-Stein
and
R. T.
Simpson
,
Cell
11
,
609
(
1977
).
31.
T. H.
Eickbush
and
E. N.
Moudrianakis
,
Biochemistry
17
,
4955
(
1978
).
32.
F.
Dong
and
K. E.
Vanholde
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
88
,
10596
(
1991
).
33.
S.
Jackson
,
W.
Brooks
, and
V.
Jackson
,
Biochemistry
33
,
5392
(
1994
).
34.
B. D.
Brower-Toland
,
C. L.
Smith
,
R. C.
Yeh
,
J. T.
Lis
,
C. L.
Peterson
, and
M. D.
Wang
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
99
,
1960
(
2002
).
35.
G. J.
Gemmen
,
R.
Sim
,
K. A.
Haushalter
,
P. C.
Ke
,
J. T.
Kadonaga
, and
D. E.
Smith
,
J. Mol. Biol.
351
,
89
(
2005
).
36.
S.
Mihardja
,
A. J.
Spakowitz
,
Y. L.
Zhang
, and
C.
Bustamante
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
103
,
15871
(
2006
).
37.
M. A.
Hall
,
A.
Shundrovsky
,
L.
Bai
,
R. M.
Fulbright
,
J. T.
Lis
, and
M. D.
Wang
,
Nat. Struct. Mol. Biol.
16
,
124
(
2009
).
38.
V.
Bohm
,
A. R.
Hieb
,
A. J.
Andrews
,
A.
Gansen
,
A.
Rocker
,
K.
Toth
,
K.
Luger
, and
J.
Langowski
,
Nucleic Acids Res.
39
,
3093
(
2011
).
39.
R.
Vlijm
,
J. S. J.
Smitshuijzen
,
A.
Lusser
, and
C.
Dekker
,
PLoS One
7
,
e46306
(
2012
).
40.
A. J.
Katan
,
R.
Vlijm
,
A.
Lusser
, and
C.
Dekker
,
Small
11
,
976
(
2015
).
41.
T.
Elbel
and
J.
Langowski
,
J. Phys.: Condens. Matter
27
,
064105
(
2015
).
42.
43.
A.
Hamiche
,
V.
Carot
,
M.
Alilat
,
F.
DeLucia
,
M. F.
Odonohue
,
B.
Revet
, and
A.
Prunell
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
93
,
7588
(
1996
).
44.
A.
Hamiche
and
H.
Richard-Foy
,
J. Biol. Chem.
273
,
9261
(
1998
).
45.
M.
Alilat
,
A.
Sivolob
,
B.
Revet
, and
A.
Prunell
,
J. Mol. Biol.
291
,
815
(
1999
).
46.
A.
Sivolob
and
A.
Prunell
,
J. Mol. Biol.
295
,
41
(
2000
).
47.
A.
Sivolob
,
F.
De Lucia
,
M.
Alilat
, and
A.
Prunell
,
J. Mol. Biol.
295
,
55
(
2000
).
48.
R.
Vlijm
,
M.
Lee
,
J.
Lipfert
,
A.
Lusser
,
C.
Dekker
, and
N. H.
Dekker
,
Cell Rep.
10
,
216
(
2015
).
49.
R.
Vlijm
,
M.
Lee
,
O.
Ordu
,
A.
Boltengagen
,
A.
Lusser
,
N. H.
Dekker
, and
C.
Dekker
,
PLoS One
10
,
e0141267
(
2015
).
50.
J.
Lipfert
,
M.
Wiggin
,
J. W. J.
Kerssemakers
,
F.
Pedaci
, and
N. H.
Dekker
,
Nat. Commun.
2
,
439
(
2011
).
51.
C.
Lavelle
,
Curr. Opin. Genet. Dev.
25
,
74
(
2014
).
52.
P.
Tessarz
and
T.
Kouzarides
,
Nat. Rev. Mol. Cell Biol.
15
,
703
(
2014
).
53.
K.
Luger
,
T. J.
Rechsteiner
, and
T. J.
Richmond
,
Methods Enzymol.
304
,
3
(
1999
).
54.
K.-M.
Lee
and
G.
Narlikar
,
Current Protocols in Molecular Biology
(
John Wiley & Sons, Inc.
,
2001
).
55.
J. W. J.
Kerssemakers
,
E. L.
Munteanu
,
L.
Laan
,
T. L.
Noetzel
,
M. E.
Janson
, and
M.
Dogterom
,
Nature
442
,
709
(
2006
).
56.
J.
Lipfert
,
G. M.
Skinner
,
J. M.
Keegstra
,
T.
Hensgens
,
T.
Jager
,
D.
Dulin
,
M.
Kober
,
Z. B.
Yu
,
S. P.
Donkers
,
F. C.
Chou
,
R.
Das
, and
N. H.
Dekker
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
111
,
15408
(
2014
).
57.
J. L.
Workman
and
R. E.
Kingston
,
Annu. Rev. Biochem.
67
,
545
(
1998
).
58.
S. J.
Petesch
and
J. T.
Lis
,
Trends Genet.
28
,
285
(
2012
).
59.
S. S.
Teves
,
C. M.
Weber
, and
S.
Henikoff
,
Trends Biochem. Sci.
39
,
577
(
2014
).
60.
A.
Bancaud
,
G.
Wagner
,
N.
Conde e Silva
,
C.
Lavelle
,
H.
Wong
,
J.
Mozziconacci
,
M.
Barbi
,
A.
Sivolob
,
E.
Le Cam
,
L.
Mouawad
,
J. L.
Viovy
,
J. M.
Victor
, and
A.
Prunell
,
Mol. Cell
27
,
135
(
2007
).
61.
N. F.
Dupuis
,
E. D.
Holmstrom
, and
D. J.
Nesbitt
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
111
,
8464
(
2014
).
62.
B. W.
Baer
and
D.
Rhodes
,
Nature
301
,
482
(
1983
).
63.
H.
Kimura
and
P. R.
Cook
,
J. Cell Biol.
153
,
1341
(
2001
).
64.
C.
Thiriet
and
J. J.
Hayes
, in
Chromatin Dynamics in Cellular Function
, edited by
B. C.
Laurent
(
Springer Berlin Heidelberg
,
Berlin, Heidelberg
,
2006
), p.
77
.
65.
D.
Reinberg
and
R. J.
Sims
,
J. Biol. Chem.
281
,
23297
(
2006
).
66.
M.
Bruno
,
A.
Flaus
,
C.
Stockdale
,
C.
Rencurel
,
H.
Ferreira
, and
T.
Owen-Hughes
,
Mol. Cell
12
,
1599
(
2003
).
67.
L. J.
Benson
,
Y. L.
Gu
,
T.
Yakovleva
,
K.
Tong
,
C.
Barrows
,
C. L.
Strack
,
R. G.
Cook
,
C. A.
Mizzen
, and
A. T.
Annunziato
,
J. Biol. Chem.
281
,
9287
(
2006
).
68.
O.
Gursoy-Yuzugullu
,
N.
House
, and
B. D.
Price
,
J. Mol. Biol.
428
,
1846
(
2016
).
69.
C. R.
Clapier
,
S.
Chakravarthy
,
C.
Petosa
,
C.
Fernandez-Tornero
,
K.
Luger
, and
C. W.
Muller
,
Proteins
71
,
1
(
2008
).
70.
L.
Favrot
,
D. H.
Lajiness
, and
D. R.
Ronning
,
J. Biol. Chem.
289
,
25031
(
2014
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.