Enhancer transcriptie: wat, waar, wanneer en waarom?

trefwoorden

• promotors
• eRNA
• embryonale ontwikkeling
• enhancers
• p-TEFb
• superenhancers
• transcriptie
• termination

versterkers zijn regulerende elementen die de transcriptie van de promotor over grote afstanden en onafhankelijk van oriëntatie (serfling et al. 1985). Terwijl zowel promotors als versterkers bekend zijn om transcriptiefactoren (TFS) te binden, werden alleen promotors verondersteld om transcriptie door RNA-polymerase II (Pol II) te initiëren., Met de komst van hoog-productie het rangschikken, zijn de moleculaire eigenschappen bij versterkers en promotors geopenbaard in ongekend detail: versterkers produceren RNAs (eRNAs) in vivo (Kim et al. 2010) met een initiatie en chromatine architectuur opmerkelijk vergelijkbaar met die van promotors (Core et al. 2014; Scruggs et al. 2015). Dit heeft sterk hernieuwde interesse in de over het hoofd gezien bevinding dat zoogdierversterker activiteit kan co-optreden met promotor activiteit (Serfling et al. 1985; Arnold et al. 2013; Dao et al. 2017)., In deze kwestie van genen & ontwikkeling, twee rapporten nader de rol van enhancer transcriptie. Henriques et al. (2018) voer gedetailleerde genoom-brede analyses uit van pauzeren en beëindiging bij niet-geannoteerde transcriptie startplaatsen (TSSs) en toon een opvallende overlap met versterkers eerder geïdentificeerd door de episomale STARR-seq (self-transcribing active regulatory region with sequencing) assay (Arnold et al. 2013). Mikhaylichenko et al. (2018) vergelijk transcriptionele sterkte en richting met enhancer en promotor activiteiten in vivo., Beide studies baseren zich op kort afgedekt RNA rangschikkend technieken-begin-seq en PRO-cap (een precisie nucleaire looppas-op rangschikkend variant) – die tsss over het genoom met hoge gevoeligheid identificeren.

Henriques et al. (2018) bied een gedetailleerde karakterisering van versterker transcriptie in de cellen van Drosophila S2 door productie van korte afgetopte RNAs aan versterkeractiviteit te vergelijken. De onderzoekers vonden dat 49% van begin-seq-eerder geà dentificeerde niet-geannoteerde tsss met STARR-seq-genoemd versterkers overlappen. Bovendien 94.,2% van die versterkers binnen toegankelijk chromatin in vivo worden gevonden toont minstens vijf RNA leest, consistent met de meeste versterkers die één of ander niveau van transcriptie drijven. Het niveau van RNAs met een kortkapsel vertoonde een matige correlatie met episomale versterkeractiviteit (ρ = 0,24), wat wijst op een kwantitatief verband tussen transcriptie en activiteit van de versterker. Interessant, melden de onderzoekers dat de meeste versterkers verschillend of convergently worden getranscribeerd of beide.

soortgelijke resultaten werden verkregen door Mikhaylichenko et al., (2018), die onderzocht waar en wanneer enhancer transcriptie en enhancer activiteit voorkomen in Drosophila embryo ‘ s. Door het genereren van geheel-embryo PRO-cap en kooi (cap analyse van genexpressie) gegevens op overeenkomende tijdstippen, vergelijken de onderzoekers transcriptie met transgene reporteractiviteit bij duizenden eerder gekarakteriseerde ontwikkelingsversterkers. De resultaten bevestigen het concept dat de transcriptie van de versterker over het algemeen samenvalt met zijn functionele activiteit en dat de actieve versterkers een waaier van transcriptieniveaus en directionaliteiten kunnen bezitten., Het onvermogen om eRNA-productie van elke functionele versterker te detecteren laat de mogelijkheid open voor niet-getranscribeerde maar actieve versterkers in vivo of kan gewoon de verminderde gevoeligheid van hele embryo-tests weerspiegelen. Het concept van diverse versterkermechanismen wordt ondersteund door de verscheidenheid van veranderingen in transcriptie en chromatine gedetecteerd op geïnduceerde TF binding (Vihervaara et al. 2017).

om transcriptionele sterkte en richting van regelgevende elementen te kwantificeren, Mikhaylichenko et al., (2018) ontwikkelde een elegante transgene analyse met dubbele vectoren die gelijktijdig de capaciteit van het element beoordelen om als versterker en promotor in vivo te functioneren. In een beperkte reeks representatieve elementen fungeerden de meeste versterkers met bidirectionele transcriptie als zwakke promotors in beide richtingen. Deze promotoractiviteit vond voornamelijk plaats in hetzelfde weefsel of subgroep van cellen als de endogene versterkeractiviteit van de elementen, wat erop wijst dat versterkers en promotors afhankelijk zijn van dezelfde regulerende componenten., Bovendien koesterden promotors met bidirectionele transcriptie enige versterkeractiviteit, die als versterker en promotor voor hetzelfde gen lijken te functioneren, vergelijkbaar met recente resultaten in menselijke cellen (Dao et al. 2017). In tegenstelling, vertoonden de meerderheid van promotors met unidirectionele transcriptie geen versterkeractiviteit, en de endogene richting van transcriptie correleerde met de oriëntatie waarin het element als promotor fungeerde., Samen zijn deze resultaten consistent met upstream promotorsequenties en hun upstream antisense TSSs die zich op dezelfde manier gedragen als distale versterkers (Serfling et al. 1985; Arnold et al. 2013; Scruggs et al. 2015; Dao et al. 2017).

de unified chromatin architecture and transcript at promotors and enhancers suggests shared mechanisms of regulation (Core et al. 2014). Bijvoorbeeld, een van de belangrijkste snelheidsbeperkende stappen bij de meeste promotors is pauze-release, gereguleerd door SPT5 en P–Tefb. Henriques et al. (2018) aantonen dat deze zelfde factoren pauzeren bij versterkers regelen., Belangrijk, verstrekt de studie elegante tijd-cursus gegevens die de genoombrede schattingen pauzeren halfwaardetijden en toont minder stabiel pauzeren bij versterkers dan promotors aan. Voorts ontdekte het rangschikken van oligo-adenylated tussenpersonen van exosome-deficiënte cellen voortijdige beëindiging bij versterkers, die suggereren dat de versterkeractiviteit op lokale recycling van beëindigde Pol II kan steunen. tot slot, rapporteren de onderzoekers dat in muizenecs, “superenhancers” en vele promotors grote clusters van TSSs bevatten, die gelijkaardige regelgevende mechanismen bij deze plaatsen aangeven., Intrigerend, dergelijke plaatsen hebben extreem snelle pauze-release, misschien gedreven door hoge lokale concentraties van P-tefb, en zo lijken resistent tegen verlies van pauzefactoren. Al met al, Henriques et al. (2018) bevestigen en uitbreiden van ons mechanistische begrip van initiatie, pauzeren, en beëindiging en verduidelijken patronen van Histon modificatie en lineage-definiërende TFs op enhancers.

Er moeten nog grote uitdagingen op dit gebied worden opgelost om de mechanismen voor versterkers verder te verduidelijken., Een belangrijke uitdaging is om rigoureus functionele versterker–promotor verbindingen toe te wijzen en versterkersterkte met betrekking tot elk doelgen in zijn endogene context te kwantificeren. Te vaak moeten we vertrouwen op de “dichtstbijzijnde genschatting”, die in vivo onvoldoende is (Fulco et al. 2016). Een andere uitdaging is het identificeren van versterkers genoom-breed. Henriques et al. (2018) laten overtuigend zien dat de h3k4me1/h3k4me3 verhouding er niet in slaagt om sterk getranscribeerde versterkers te identificeren, consistent met rapporten in zoogdiercellen (Core et al. 2014; Dao et al. 2017)., Deze resultaten wijzen erop dat de versterkers moeilijk van promotors door histone wijzigingspatronen alleen te onderscheiden zijn en het nut van het gebruiken van onstabiele bidirectionele transcriptie voor versterkeridentificatie benadrukken. De kenmerken en mechanismen voor snelle Pol II-beëindiging en eRNA-instabiliteit op deze locaties moeten nog volledig worden geïdentificeerd.

versterkers en promotors hebben veel eigenschappen, waaronder soortgelijke sequentiemotieven, transcriptiemachines, chromatine-omgeving en veranderingen in activiteit na binding van activatoren of onderdrukkers (Core et al. 2014; Scruggs et al., 2015; Fulco et al. 2016; Vihervaara et al. 2017). Nochtans, blijft de functionele rol van transcriptie van versterkers ongrijpbaar. Het is verleidelijk om te speculeren dat transcriptie zelf helpt enhancer–promotor colokalisatie te bemiddelen, misschien door de affiniteit van Pol II voor gemeenschappelijke coactivatoren zoals Mediator, CBP, Integrator, remodeling complexen, en histone modifiers. Alternatief, kan de transcriptie open en actieve chromatin architectuur eenvoudig handhaven (bijvoorbeeld, Scruggs et al. 2015), waardoor versterker–promotorinteractie door factorbinding wordt toegestaan., Beide model van transcriptie-gedreven enhancer en promotor connectiviteit helpt om hun extreme overeenkomsten in initiatie en pauzeren gedrag te verklaren.

• © 2018 Tippens et al.; Uitgegeven door Cold Spring Harbor Laboratory Press