Enhancer transkription: vad, var, när och varför?

nyckelord

• promotorer
• eRNA
• embryonal utveckling
• förstärkare
• P-TEFb
• superenhancers
• transkription
• uppsägning

förstärkare är reglerande element som aktiverar promotorn transkription över stora avstånd och oberoende av orientering (Serfling et al. – herr talman! 1985). Medan både promotorer och förstärkare är kända för att binda transkriptionsfaktorer (TFs), ansågs endast promotorer initiera transkription med RNA polymeras II (Pol II)., Med tillkomsten av hög genomströmning sekvensering har molekylära egenskaper hos förstärkare och promotorer avslöjats i oöverträffad detalj: förstärkare producerar RNAs (eRNAs) in vivo (Kim et al. 2010) med en initiering och kromatin arkitektur anmärkningsvärt liknar den för promotorer (Core et al. 2014; Scruggs m.fl. 2015). Detta har kraftigt förnyat intresse för det förbisedda konstaterandet att däggdjurshöjande aktivitet kan förekomma tillsammans med promotoraktivitet (Serfling et al. 1985; Arnold et al. 2013; Dao m.fl. 2017)., I detta nummer av gener & utveckling, två rapporter ytterligare klargöra rollen av förstärkare transkription. Henriques et al. (2018) utför detaljerade genomövergripande analyser av paus och uppsägning vid oannoterade transkriptionsstationsplatser (TSSs) och visa en slående överlappning med förstärkare som tidigare identifierats av episomal STARR-seq (self-transcribing active regulatory region with sequencing) assay (Arnold et al. 2013). Mikhaylichenko et al. (2018) jämför transcriptional strength och directionality med enhancer och promotorverksamhet in vivo., Båda studierna är beroende av korta utjämnade rna-sekvenseringstekniker-Start-seq och PRO-cap (en precision nuclear run-on—sekvenseringsvariant) – som identifierar TSSs över genomet med hög känslighet.

Henriques et al. (2018) erbjuda en detaljerad karakterisering av enhancer transkription i Drosophila S2-celler genom att jämföra produktion av korta utjämnade rna till enhancer aktivitet. Utredarna fann att 49% av Startseq-identifierade tidigare oannoterade TSS överlappar med Starr-seq-kallade förstärkare. Dessutom 94.,2% av förstärkare som finns inom tillgänglig kromatin in vivo visar minst fem rna-läsningar, vilket överensstämmer med de flesta förstärkare som kör någon transkription. Nivån av korta utjämnade rna visade måttlig korrelation med episomal förstärkare aktivitet (ρ = 0.24), vilket tyder på en viss kvantitativ koppling mellan förstärkare transkription och aktivitet. Intressant rapporterar utredarna att de flesta förstärkare är avvikande eller konvergent transkriberade eller båda.

liknande resultat erhölls av Mikhaylichenko et al., (2018), som undersökte var och när enhancer transkription och förstärkare aktivitet förekommer i Drosophila embryon. Genom att generera hela embryo Pro-cap och CAGE (cap-analys av genuttryck) data vid matchade tidpunkter jämför undersökarna transkription med transgen reporteraktivitet vid tusentals tidigare karaktäriserade utvecklingsförstärkare. Resultaten validera konceptet att enhancer transkription sammanfaller i allmänhet med dess funktionella aktivitet och att aktiva förstärkare kan ha en rad transkription nivåer och riktnings., Oförmågan att upptäcka eRNA-produktion från varje funktionell förstärkare lämnar möjligheten för otranskriberade men aktiva förstärkare in vivo eller kan helt enkelt återspegla den reducerade känsligheten hos hela embryoanalyser. Begreppet olika förstärkare mekanismer stöds av olika förändringar i transkription och kromatin detekteras vid inducerad TF-bindning (Vihervaara et al. 2017).

för att kvantifiera transkriptionell styrka och riktning från reglerande element, Mikhaylichenko et al., (2018) utvecklat en elegant transgen analys med dubbla vektorer som samtidigt bedömer elementets förmåga att fungera som en förstärkare och en promotor in vivo. I en begränsad uppsättning representativa element fungerade de flesta förstärkare med dubbelriktad transkription som svaga promotorer i båda riktningarna. Denna promotoraktivitet inträffade huvudsakligen i samma vävnad eller delmängd av celler som elementens endogena förstärkaraktivitet, vilket indikerar att förstärkare och promotorer är beroende av samma regulatoriska komponenter., Dessutom har promotorer med dubbelriktad transkription hyst viss förstärkaraktivitet, som verkar fungera som en förstärkare och promotor för samma gen, liknande de senaste resultaten i mänskliga celler (Dao et al. 2017). Däremot visade majoriteten av promotorer med enkelriktad transkription inte förstärkaraktivitet, och den endogena transkriptionsriktningen korrelerade med orienteringen där elementet fungerade som en promotor., Tillsammans överensstämmer dessa resultat med uppströms promotorsekvenser och deras uppströms antisense TSSs beter sig på samma sätt som distala förstärkare (Serfling et al. 1985; Arnold et al. 2013; Scruggs m.fl. 2015; Dao et al. 2017).

den enhetliga kromatinarkitekturen och transkriptionen hos promotorer och förstärkare föreslår delade regleringsmekanismer (Core et al. 2014). Till exempel är ett av de viktigaste hastighetsbegränsande stegen hos de flesta initiativtagare pause-release, reglerad av SPT5 och P–TEFb. Henriques et al. (2018) visar att samma faktorer reglerar pausa hos förstärkare., Viktigt är att studien ger eleganta tidskursdata som uppskattar pausa halveringstiden i genomet och visar mindre stabil paus vid förstärkare än promotorer. Vidare, sekvensering oligo-adenylerade intermediärer från exosom-bristfälliga celler avslöjade för tidig uppsägning hos förstärkare, vilket tyder på att förstärkaraktivitet kan förlita sig på lokal återvinning av terminerad Pol II. slutligen rapporterar utredarna att i mus ESCs,” superenhancers ” och många promotorer innehåller stora kluster av TSSs, vilket indikerar liknande regleringsmekanismer på dessa loci., Intriguingly, sådana platser har extremt snabb paus-release, kanske drivs av höga lokala koncentrationer av P-TEFb, och därmed verkar resistenta mot förlust av pausa faktorer. Sammantaget, Henriques et al. (2018) bekräfta och utöka vår mekanistiska förståelse för initiering, pausa och uppsägning och klargöra mönster av histon modifiering och lineage-definiera TFs på enhancers.

djupgående utmaningar på området återstår att lösa för att ytterligare klargöra förstärkningsmekanismerna., En stor utmaning är att noggrant tilldela funktionella förstärkare-promotoranslutningar och kvantifiera förstärkare styrka med avseende på varje målgen i dess endogena sammanhang. Alltför ofta måste vi förlita oss på ”närmaste genuppskattning”, vilket är otillräckligt in vivo(Fulco et al. 2016). En annan utmaning är att identifiera förstärkare genomet-wide. Henriques et al. (2018) visar övertygande att h3k4me1 / H3K4me3-förhållandet inte identifierar starkt transkriberade förstärkare, i överensstämmelse med rapporter i däggdjursceller (Core et al. 2014; Dao et al. 2017)., Dessa resultat tyder på att förstärkare är svåra att skilja från initiativtagare genom histone modifiering mönster ensam och markera nyttan av att använda instabil dubbelriktad transkription för enhancer identifiering. De funktioner och mekanismer som specificerar snabb Pol II-uppsägning och eRNA-instabilitet på dessa platser förblir helt identifierade.

förstärkare och initiativtagare delar många funktioner, inklusive liknande sekvensmotiv, transkriptionsmaskiner, kromatinmiljö och förändringar i aktivitet vid bindning av aktivatorer eller förtryckare (Core et al. 2014; Scruggs m.fl., 2015; Fulco m.fl. 2016; Vihervaara et al. 2017). Den funktionella rollen av transkription från förstärkare förblir emellertid elusiv. Det är frestande att spekulera om att transkription i sig hjälper till att medla enhancer–promotor colocalization, kanske genom Pol II: s affinitet för vanliga samaktivatorer som medlare, CBP, Integrator, remodeling komplex och histon modifierare. Alternativt kan transkription helt enkelt upprätthålla öppen och aktiv kromatinarkitektur (till exempel Scruggs et al. 2015), vilket möjliggör enhancer-promotorinteraktioner genom faktorbindning., Endera modellen av transkriptionsdriven förstärkare och promotorns anslutning hjälper till att förklara deras extrema likheter vid initiering och pausa beteenden.

• © 2018 Tippens et al.; Publicerad av Cold Spring Harbor Laboratory Press