Enhancer Transkription: was, wo, Wann, und warum?

Schlüsselwörter

• Promotoren
• eRNA
• embryonale Entwicklung
• Enhancer
• P-TEFb
• Superenhancer
• Transkription
• Terminierung

Enhancer sind regulatorische Elemente, die die Promotortranskription über große Entfernungen und unabhängig von der Orientierung (Serfling et al. 1985). Während bekannt ist, dass sowohl Promotoren als auch Enhancer Transkriptionsfaktoren (TFs) binden, wurde angenommen, dass nur Promotoren die Transkription durch RNA-Polymerase II (Pol II) initiieren., Mit dem Aufkommen der Hochdurchsatzsequenzierung wurden molekulare Merkmale bei Enhancern und Promotoren in beispiellosen Details aufgedeckt: Enhancer produzieren RNAs (eRNAs) in vivo (Kim et al. 2010) mit einer Initiations-und Chromatinarchitektur, die der von Promotoren bemerkenswert ähnlich ist (Core et al. 2014; Scruggs et al. 2015). Dies hat das Interesse an der übersehenen Feststellung, dass Säugetier-Enhancer-Aktivität zusammen mit Promoter-Aktivität auftreten kann, stark erneuert (Serfling et al. 1985; Arnold et al. 2013; Dao et al. 2017)., In dieser Ausgabe von Genes & Developement klären zwei Berichte die Rolle der Enhancer-Transkription weiter auf. Henriques et al. (2018) führen Sie detaillierte genomweite Analysen von Pausieren und Beenden an unannotierten Transkriptionsstartstellen (TSSs) durch und zeigen Sie eine auffällige Überlappung mit Enhancern, die zuvor durch den episomalen STARR-seq-Assay (Self-Transcribing active Regulatory Region with Sequencing) identifiziert wurden (Arnold et al. 2013). Mikhaylichenko et al. (2018) Vergleichen Sie Transkriptionsstärke und Direktionalität mit Enhancer-und Promoteraktivitäten in vivo., Beide Studien stützen sich auf Short-Capped – RNA-Sequenzierungstechniken-Start-seq und PRO-cap (eine Präzisions-Nuclear Run—on-Sequenzierungsvariante) -, die TSSs im gesamten Genom mit hoher Empfindlichkeit identifizieren.

Henriques et al. (2018) bieten eine detaillierte Charakterisierung der Enhancertranskription in Drosophila S2-Zellen an, indem die Produktion von kurzkappten RNAs mit der Enhanceraktivität verglichen wird. Die Ermittler fanden heraus, dass 49% der Start-seq-identifizierten zuvor nicht annotierten TSSs sich mit Start-seq-Enhancern überschneiden. Darüber hinaus 94.,2% der in zugänglichem Chromatin in vivo gefundenen Enhancer zeigen mindestens fünf RNA-Lesevorgänge, was mit den meisten Enhancern übereinstimmt, die eine gewisse Transkription vorantreiben. Das Niveau der Short Capped RNAs zeigte eine moderate Korrelation mit der episomalen Enhancer-Aktivität (ρ = 0,24), was auf einen quantitativen Zusammenhang zwischen Enhancertranskription und Aktivität hindeutet. Interessanterweise berichten die Ermittler, dass die meisten Enhancer divergent oder konvergent transkribiert werden oder beides.

Ähnliche Ergebnisse wurden von Mikhaylichenko et al., (2018), die who untersuchte, wo und wann Enhancer-Transkription und Enhancer-Aktivität in Drosophila-Embryonen auftreten. Durch die Erzeugung von Ganzembryo-PRO-Cap – und CAGE-Daten (Cap-Analyse der Genexpression) zu übereinstimmenden Zeitpunkten vergleichen die Forscher die Transkription mit der transgenen Reporteraktivität bei Tausenden zuvor charakterisierter Entwicklungsverbesserer. Die Ergebnisse bestätigen das Konzept, dass die enhancer-Transkription in der Regel fällt durch seine funktionelle Aktivität und die aktive Enhancer können, verfügen über eine Anzahl von Transkription Ebenen und directionalities., Die Unfähigkeit, die eRNA-Produktion von jedem funktionellen Enhancer aus nachzuweisen, lässt die Möglichkeit für nicht umschriebene, aber aktive Enhancer in vivo offen oder kann einfach die verringerte Empfindlichkeit von Vollembryo-Assays widerspiegeln. Das Konzept der verschiedenen Enhancermechanismen wird durch die Vielfalt der Veränderungen der Transkription und des Chromatins unterstützt, die bei induzierter TF-Bindung nachgewiesen wurden (Vihervaara et al. 2017).

Zur Quantifizierung der Transkriptionsstärke und Direktionalität aus regulatorischen Elementen, Mikhaylichenko et al., (2018) entwickelte einen eleganten transgenen Assay mit Doppelvektoren, der gleichzeitig die Fähigkeit des Elements bewertet, in vivo als Enhancer und Promotor zu fungieren. In einem begrenzten Satz repräsentativer Elemente fungierten die meisten Enhancer mit bidirektionaler Transkription als schwache Promotoren in beide Richtungen. Diese Promoteraktivität trat vorwiegend in demselben Gewebe oder einer Teilmenge von Zellen auf wie die endogene Enhanceraktivität der Elemente, was darauf hinweist, dass Enhancer und Promotoren von denselben regulatorischen Komponenten abhängen., Darüber hinaus hielten Promotoren mit bidirektionaler Transkription eine gewisse Enhanceraktivität aufrecht und schienen als Enhancer und Promotor für dasselbe Gen zu fungieren, ähnlich wie jüngste Ergebnisse in menschlichen Zellen (Dao et al. 2017). Im Gegensatz dazu zeigte die Mehrheit der Promotoren mit unidirektionaler Transkription keine Enhanceraktivität, und die endogene Transkriptionsrichtung korrelierte mit der Orientierung, in der das Element als Promotor fungierte., Zusammen stimmen diese Ergebnisse mit Upstream-Promotorsequenzen und ihren Upstream-Antisense-TSSs überein, die sich ähnlich wie distale Enhancer verhalten (Serfling et al. 1985; Arnold et al. 2013; Scruggs et al. 2015; Dao et al. 2017).

Die einheitliche Chromatinarchitektur und-transkription bei Promotoren und Enhancern legt gemeinsame Regulationsmechanismen nahe (Core et al. 2014). Zum Beispiel ist einer der wichtigsten Ratenbegrenzungsschritte bei den meisten Promotoren Pause-Release, reguliert durch SPT5 und P–TEFb. Henriques et al. (2018) zeigen, dass dieselben Faktoren das Pausieren bei Enhancern regulieren., Wichtig ist, dass die Studie elegante Zeit-Kurs-Daten liefert, die Pause Halbwertszeiten genomweit schätzt und weniger stabile Pausen bei Enhancern als Promotoren zeigt. Darüber hinaus entdeckten sequenzierende oligoadenylierte Zwischenprodukte aus exosom-defizienten Zellen einen vorzeitigen Abbruch bei Enhancern, was darauf hindeutet, dass die Enhanceraktivität auf ein lokales Recycling von terminiertem Pol II angewiesen sein könnte. Schließlich berichten die Forscher, dass „Superenhancer“ und viele Promotoren große Cluster von TSSs enthalten, was auf ähnliche Regulationsmechanismen an diesen Orten hinweist., Interessanterweise haben solche Stellen eine extrem schnelle Pausenfreisetzung, die möglicherweise auf hohe lokale Konzentrationen von P-TEFb zurückzuführen ist, und scheinen daher resistent gegen den Verlust von Pausenfaktoren zu sein. Insgesamt Henriques et al. (2018) Bestätigen und erweitern Sie unser mechanistisches Verständnis von Initiation, Pause und Beendigung und klären Sie Muster der Histonmodifikation und der abstammungsdefinierenden TFs bei Enhancern.

Zur weiteren Klärung des Sachverhalts müssen noch tiefgreifende Fragen geklärt werden., Eine große Herausforderung besteht darin, funktionelle Enhancer–Promotor-Verbindungen rigoros zuzuordnen und die Enhancer-Stärke in Bezug auf jedes Zielgen in seinem endogenen Kontext zu quantifizieren. Zu oft müssen wir uns auf die „engste Genschätzung“ verlassen, die in vivo unzureichend ist (Fulco et al. 2016). Eine weitere Herausforderung ist die Identifizierung von Enhancern genomweit. Henriques et al. (2018) zeigen überzeugend, dass das H3K4me1/H3K4me3-Verhältnis hoch transkribierte Enhancer nicht identifiziert, was mit Berichten in Säugetierzellen übereinstimmt (Core et al. 2014; Dao et al. 2017)., Diese Ergebnisse zeigen, dass Enhancer allein durch Histonmodifikationsmuster schwer von Promotoren zu unterscheiden sind, und unterstreichen den Nutzen der Verwendung einer instabilen bidirektionalen Transkription zur Enhanceridentifikation. Die Merkmale und Mechanismen, die eine schnelle Pol II-Beendigung und eRNA-Instabilität an diesen Standorten spezifizieren, müssen noch vollständig identifiziert werden.

Enhancer und Promotoren teilen viele Merkmale, einschließlich ähnlicher Sequenzmotive, Transkriptionsmaschinen, Chromatinumgebung und Aktivitätsänderungen bei Bindung von Aktivatoren oder Repressoren (Core et al. 2014; Scruggs et al., 2015; Fulco et al. 2016; Vihervaara et al. 2017). Die funktionelle Rolle der Transkription von Enhancern bleibt jedoch schwer fassbar. Es ist verlockend zu spekulieren, dass die Transkription selbst dazu beiträgt, die Enhancer–Promotor-Kolokalisierung zu vermitteln, möglicherweise durch die Affinität von Pol II zu gemeinsamen Coaktivatoren wie Mediator, CBP, Integrator, Remodellierungskomplexen und Histonmodifikatoren. Alternativ kann die Transkription einfach eine offene und aktive Chromatinarchitektur beibehalten (z. B. Scruggs et al. 2015), wodurch Enhancer–Promotor-Interaktionen durch Faktorbindung ermöglicht werden., Jedes Modell der transkriptionsgesteuerten Enhancer – und Promoter-Konnektivität hilft dabei, ihre extremen Ähnlichkeiten bei Initiations-und Pausenverhalten zu erklären.

• © 2018 Tippens et al.; Herausgegeben von Cold Spring Harbor Laboratory Press