Enhancer trascrizione: cosa, dove, quando e perché?

1. Nathaniel D. Tippens1,2,
2. Anniina Vihervaara1 e
3. John T. Lis1,2

1. 1Department della Biologia Molecolare e della Genetica, della Cornell University, Ithaca, New York 14853, USA;
2. 2Tri-Istituzionale di Programma di Formazione in Biologia Computazionale e Medicina, Cornell University, Ithaca, New York 14853, stati UNITI.

1. autore Corrispondente: johnlis{a}cornell.,edu

Keywords

• i promotori
• eRNA
• sviluppo embrionale
• stimolatori
• P-TEFb
• superenhancers
• trascrizione
• disdetta

Promotori sono gli elementi normativi che attivano promotore di trascrizione su grandi distanze e in modo indipendente di orientamento (Serfling et al. 1985). Mentre entrambi i promotori e gli esaltatori sono noti per legare i fattori di trascrizione (TFs), solo i promotori sono stati pensati per iniziare la trascrizione da RNA polimerasi II (Pol II)., Con l’avvento del sequenziamento ad alto rendimento, le caratteristiche molecolari di enhancers e promoters sono state rivelate in dettagli senza precedenti: gli enhancers producono RNA (ERNAS) in vivo (Kim et al. 2010) con un’architettura di iniziazione e cromatina notevolmente simile a quella dei promotori (Core et al. 2014; Scruggs et al. 2015). Ciò ha notevolmente rinnovato l’interesse per la scoperta trascurata che l’attività del potenziatore dei mammiferi può co-verificarsi con l’attività del promotore (Serfling et al. 1985; Arnold et al. 2013; Dao et al. 2017)., In questo numero di geni & Sviluppo, due rapporti chiariscono ulteriormente il ruolo della trascrizione enhancer. Henriques et al. (2018) eseguire analisi dettagliate su tutto il genoma della pausa e della terminazione nei siti di inizio trascrizione non annotati (TSSs) e mostrare una sorprendente sovrapposizione con gli enhancer identificati in precedenza dal test episomal STARR-seq (self-transcribing active regulatory region with sequencing) (Arnold et al. 2013). Mikhaylichenko et al. (2018) confronta la forza trascrizionale e la direzionalità con le attività di enhancer e promoter in vivo., Entrambi gli studi si basano su tecniche di sequenziamento dell’RNA con cappuccio corto-Start-seq e PRO-cap (una variante di sequenziamento nucleare di precisione)-che identificano i TSSS attraverso il genoma con elevata sensibilità.

Henriques et al. (2018) offrono una caratterizzazione dettagliata della trascrizione di enhancer nelle cellule di Drosophila S2 confrontando la produzione di RNA a cappuccio corto con l’attività di enhancer. Gli investigatori hanno scoperto che il 49% di Start-seq-identificato TSSs precedentemente non annotati si sovrappongono con STARR-seq-chiamati enhancers. Inoltre, 94.,il 2% degli esaltatori trovati all’interno della cromatina accessibile in vivo mostra almeno cinque letture di RNA, coerenti con la maggior parte degli esaltatori che guidano un certo livello di trascrizione. Il livello di RNA a breve capped ha mostrato una correlazione moderata con l’attività dell’enhancer episomale (ρ = 0.24), suggerendo una certa connessione quantitativa tra la trascrizione dell’enhancer e l’attività. È interessante notare che gli investigatori riferiscono che la maggior parte degli esaltatori sono trascritti in modo divergente o convergente o entrambi.

Risultati simili sono stati ottenuti da Mikhaylichenko et al., (2018), che ha studiato dove e quando la trascrizione enhancer e l’attività enhancer si verificano negli embrioni di Drosophila. Generando dati PRO-cap e CAGE (cap analysis of gene expression) dell’intero embrione in punti di tempo corrispondenti, i ricercatori confrontano la trascrizione con l’attività reporter transgenica a migliaia di potenziatori dello sviluppo precedentemente caratterizzati. I risultati convalidano il concetto che la trascrizione dell’enhancer coincide generalmente con la sua attività funzionale e che gli enhancer attivi possono possedere una gamma di livelli di trascrizione e direzionalità., L’incapacità di rilevare la produzione di eRNA da ogni potenziatore funzionale lascia aperta la possibilità di potenziatori non trascritti ma attivi in vivo o può semplicemente riflettere la ridotta sensibilità delle analisi dell’intero embrione. Il concetto di diversi meccanismi di enhancer è supportato dalla varietà di cambiamenti nella trascrizione e nella cromatina rilevati sul legame TF indotto (Vihervaara et al. 2017).

Per quantificare la forza trascrizionale e la direzionalità dagli elementi normativi, Mikhaylichenko et al., (2018) ha sviluppato un elegante test transgenico con doppi vettori che valutano simultaneamente la capacità dell’elemento di funzionare come potenziatore e promotore in vivo. In un insieme limitato di elementi rappresentativi, la maggior parte dei potenziatori con trascrizione bidirezionale funzionava come promotori deboli in entrambe le direzioni. Questa attività del promotore si è verificata prevalentemente nello stesso tessuto o sottoinsieme di cellule dell’attività endogena dell’enhancer degli elementi, indicando che gli enhancer e i promotori dipendono dagli stessi componenti regolatori., Inoltre, i promotori con trascrizione bidirezionale ospitavano una certa attività di enhancer, che sembra funzionare come un enhancer e promotore per lo stesso gene, simile ai recenti risultati nelle cellule umane (Dao et al. 2017). Al contrario, la maggior parte dei promotori con trascrizione unidirezionale non ha mostrato attività di enhancer e la direzione endogena della trascrizione è correlata con l’orientamento in cui l’elemento ha funzionato come promotore., Insieme, questi risultati sono coerenti con le sequenze di promotori a monte e il loro TSSS antisenso a monte che si comporta in modo simile agli esaltatori distali (Serfling et al. 1985; Arnold et al. 2013; Scruggs et al. 2015; Dao et al. 2017).

L’architettura e la trascrizione unificate della cromatina a promotori ed esaltatori suggerisce meccanismi condivisi di regolazione (Core et al. 2014). Ad esempio, uno dei principali passaggi di limitazione della velocità nella maggior parte dei promotori è pausa-rilascio, regolato da SPT5 e P–TEFb. Henriques et al. (2018) dimostrano che questi stessi fattori regolano la pausa agli esaltatori., È importante sottolineare che, lo studio fornisce dati di tempo-corso eleganti che stima pausa emivita a livello genomico e dimostra meno stabile pausa a esaltatori di promotori. Inoltre, il sequenziamento di intermedi oligo-adenilati da cellule carenti di esosomi ha scoperto la terminazione prematura degli enhancer, suggerendo che l’attività degli enhancer può fare affidamento sul riciclaggio locale di Pol II terminato. Infine, i ricercatori riferiscono che nei CES di topo, i “superenalzi” e molti promotori contengono grandi gruppi di TSSS, indicando meccanismi regolatori simili in questi loci., Curiosamente, tali siti hanno un rilascio di pausa estremamente rapido, forse guidato da alte concentrazioni locali di P-TEFb, e quindi appaiono resistenti alla perdita di fattori di pausa. Complessivamente, Henriques et al. (2018) confermare ed estendere la nostra comprensione meccanicistica di iniziazione, pausa e terminazione e chiarire i modelli di modifica degli istoni e TFS che definiscono il lignaggio a enhancers.

Le sfide profonde nel campo rimangono da risolvere per chiarire ulteriormente i meccanismi di enhancer., Una sfida importante è quella di assegnare rigorosamente le connessioni funzionali enhancer-promoter e quantificare la forza enhancer per quanto riguarda ogni gene bersaglio nel suo contesto endogeno. Troppo spesso, dobbiamo fare affidamento sulla “stima del gene più vicina”, che è inadeguata in vivo (Fulco et al. 2016). Un’altra sfida è identificare enhancers a livello genomico. Henriques et al. (2018) mostrano in modo convincente che il rapporto H3K4me1/H3K4me3 non riesce a identificare esaltatori altamente trascritti, coerenti con i rapporti nelle cellule di mammifero (Core et al. 2014; Dao et al. 2017)., Questi risultati indicano che gli enhancer sono difficili da distinguere dai promotori da modelli di modifica dell’istone da soli ed evidenziano l’utilità di utilizzare la trascrizione bidirezionale instabile per l’identificazione del enhancer. Le caratteristiche e i meccanismi che specificano la terminazione rapida di Pol II e l’instabilità di eRNA in questi siti devono essere completamente identificati.

Gli esaltatori e i promotori condividono molte caratteristiche, tra cui motivi di sequenza simili, macchinari di trascrizione, ambiente di cromatina e cambiamenti nell’attività al momento del legame di attivatori o repressori (Core et al. 2014; Scruggs et al., 2015; Fulco et al. 2016; Vihervaara et al. 2017). Tuttavia, il ruolo funzionale della trascrizione da esaltatori rimane sfuggente. Si è tentati di ipotizzare che la trascrizione stessa aiuti a mediare la colocalizzazione del enhancer–promotore, forse attraverso l’affinità di Pol II per coattivatori comuni come Mediatore, CBP, integratore, complessi di rimodellamento e modificatori di istoni. In alternativa, la trascrizione può semplicemente mantenere un’architettura aperta e attiva della cromatina (ad esempio, Scruggs et al. 2015), consentendo così interazioni enhancer–promoter attraverso il legame del fattore., Entrambi i modelli di connettività enhancer e promoter basata sulla trascrizione aiutano a spiegare le loro somiglianze estreme nei comportamenti di iniziazione e pausa.

• © 2018 Tippens et al.; Pubblicato da Cold Spring Harbor Laboratory Press