Single-nucleoid architecture reveals heterogeneous packaging of mitochondrial DNA

类核 TFAM公司 DNA 细胞生物学 线粒体DNA 线粒体 DNA复制 基因组 生物 遗传学 基因 大肠杆菌
作者
R. Stefan Isaac,Thomas W. Tullius,Katja G. Hansen,Danilo Dubocanin,Mary Couvillion,Andrew B. Stergachis,L. Stirling Churchman
出处
期刊:Nature Structural & Molecular Biology [Nature Portfolio]
卷期号:31 (3): 568-577 被引量:47
标识
DOI:10.1038/s41594-024-01225-6
摘要

Cellular metabolism relies on the regulation and maintenance of mitochondrial DNA (mtDNA). Hundreds to thousands of copies of mtDNA exist in each cell, yet because mitochondria lack histones or other machinery important for nuclear genome compaction, it remains unresolved how mtDNA is packaged into individual nucleoids. In this study, we used long-read single-molecule accessibility mapping to measure the compaction of individual full-length mtDNA molecules at near single-nucleotide resolution. We found that, unlike the nuclear genome, human mtDNA largely undergoes all-or-none global compaction, with most nucleoids existing in an inaccessible, inactive state. Highly accessible mitochondrial nucleoids are co-occupied by transcription and replication components and selectively form a triple-stranded displacement loop structure. In addition, we showed that the primary nucleoid-associated protein TFAM directly modulates the fraction of inaccessible nucleoids both in vivo and in vitro, acting consistently with a nucleation-and-spreading mechanism to coat and compact mitochondrial nucleoids. Together, these findings reveal the primary architecture of mtDNA packaging and regulation in human cells. Isaac et al. present mtFiber-seq, a method that measures individual mitochondrial genome packaging at nucleotide resolution. They show that most nucleoids are in an inaccessible state, modulated by the abundance of the DNA-binding protein TFAM.
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