The transcription factors OCT4, SOX2, and NANOG have essential roles in early development and are required for the propagation of undifferentiated embryonic stem (ES) cells in culture. To gain insights into transcriptional regulation of human ES cells, we have identified OCT4, SOX2, and NANOG target genes using genome-scale location analysis. We found, surprisingly, that OCT4, SOX2, and NANOG co-occupy a substantial portion of their target genes. These target genes frequently encode transcription factors, many of which are developmentally important homeodomain proteins. Our data also indicate that OCT4, SOX2, and NANOG collaborate to form regulatory circuitry consisting of autoregulatory and feedforward loops. These results provide new insights into the transcriptional regulation of stem cells and reveal how OCT4, SOX2, and NANOG contribute to pluripotency and self-renewal.

Developmental programs are controlled by transcription factors and chromatin regulators, which maintain specific gene expression programs through epigenetic modification of the genome. These regulatory events at enhancers contribute to the specific gene expression programs that determine cell state and the potential for differentiation into new cell types. Although enhancer elements are known to be associated with certain histone modifications and transcription factors, the relationship of these modifications to gene expression and developmental state has not been clearly defined. Here we interrogate the epigenetic landscape of enhancer elements in embryonic stem cells and several adult tissues in the mouse. We find that histone H3K27ac distinguishes active enhancers from inactive/poised enhancer elements containing H3K4me1 alone. This indicates that the amount of actively used enhancers is lower than previously anticipated. Furthermore, poised enhancer networks provide clues to unrealized developmental programs. Finally, we show that enhancers are reset during nuclear reprogramming.

We have determined how most of the transcriptional regulators encoded in the eukaryote Saccharomyces cerevisiae associate with genes across the genome in living cells. Just as maps of metabolic networks describe the potential pathways that may be used by a cell to accomplish metabolic processes, this network of regulator-gene interactions describes potential pathways yeast cells can use to regulate global gene expression programs. We use this information to identify network motifs, the simplest units of network architecture, and demonstrate that an automated process can use motifs to assemble a transcriptional regulatory network structure. Our results reveal that eukaryotic cellular functions are highly connected through networks of transcriptional regulators that regulate other transcriptional regulators.

Summary

 Chromatin regulators have become attractive targets for cancer therapy, but it is unclear why inhibition of these ubiquitous regulators should have gene-specific effects in tumor cells. Here, we investigate how inhibition of the widely expressed transcriptional coactivator BRD4 leads to selective inhibition of the MYC oncogene in multiple myeloma (MM). BRD4 and Mediator were found to co-occupy thousands of enhancers associated with active genes. They also co-occupied a small set of exceptionally large super-enhancers associated with genes that feature prominently in MM biology, including the MYC oncogene. Treatment of MM tumor cells with the BET-bromodomain inhibitor JQ1 led to preferential loss of BRD4 at super-enhancers and consequent transcription elongation defects that preferentially impacted genes with super-enhancers, including MYC. Super-enhancers were found at key oncogenic drivers in many other tumor cells. These observations have implications for the discovery of cancer therapeutics directed at components of super-enhancers in diverse tumor types.

Polycomb group proteins are essential for early development in metazoans, but their contributions to human development are not well understood. We have mapped the Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2) subunit SUZ12 across the entire nonrepeat portion of the genome in human embryonic stem (ES) cells. We found that SUZ12 is distributed across large portions of over two hundred genes encoding key developmental regulators. These genes are occupied by nucleosomes trimethylated at histone H3K27, are transcriptionally repressed, and contain some of the most highly conserved noncoding elements in the genome. We found that PRC2 target genes are preferentially activated during ES cell differentiation and that the ES cell regulators OCT4, SOX2, and NANOG cooccupy a significant subset of these genes. These results indicate that PRC2 occupies a special set of developmental genes in ES cells that must be repressed to maintain pluripotency and that are poised for activation during ES cell differentiation.

DNA-binding transcriptional regulators interpret the genome's regulatory code by binding to specific sequences to induce or repress gene expression1. Comparative genomics has recently been used to identify potential cis-regulatory sequences within the yeast genome on the basis of phylogenetic conservation2,3,4,5,6, but this information alone does not reveal if or when transcriptional regulators occupy these binding sites. We have constructed an initial map of yeast's transcriptional regulatory code by identifying the sequence elements that are bound by regulators under various conditions and that are conserved among Saccharomyces species. The organization of regulatory elements in promoters and the environment-dependent use of these elements by regulators are discussed. We find that environment-specific use of regulatory elements predicts mechanistic models for the function of a large population of yeast's transcriptional regulators.

A sensitive and general technique has been devised for the dual purposes of cloning genes by using antibodies as probes and isolating unknown proteins encoded by cloned DNA. The method uses an expression vector, lambda gt11 (lac5 nin5 cI857 S100), that permits insertion of foreign DNA into the beta-galactosidase structural gene lacZ and promotes synthesis of hybrid proteins. Efficient screening of antigen-producing clones in lambda gt11 recombinant cDNA libraries is achieved through lysogeny of the phage library in hflA (high-frequency lysogeny) mutant cells of Escherichia coli; lysogens produce detectable quantities of antigen on induction, even when plated at high cell densities. The vector is also designed to facilitate the isolation of proteins specified by previously cloned gene sequences. Hybrid proteins encoded by recombinant phage accumulate in strains defective in protein degradation (lon mutants) in amounts amenable to large-scale purification. Antibodies produced against the portion of the hybrid encoded by foreign DNA could in turn be used to isolate the native polypeptide from eukaryotic cells.

Super-enhancers (SEs) are clusters of enhancers that cooperatively assemble a high density of the transcriptional apparatus to drive robust expression of genes with prominent roles in cell identity. Here we demonstrate that the SE-enriched transcriptional coactivators BRD4 and MED1 form nuclear puncta at SEs that exhibit properties of liquid-like condensates and are disrupted by chemicals that perturb condensates. The intrinsically disordered regions (IDRs) of BRD4 and MED1 can form phase-separated droplets, and MED1-IDR droplets can compartmentalize and concentrate the transcription apparatus from nuclear extracts. These results support the idea that coactivators form phase-separated condensates at SEs that compartmentalize and concentrate the transcription apparatus, suggest a role for coactivator IDRs in this process, and offer insights into mechanisms involved in the control of key cell-identity genes.

We describe the results of a genome-wide analysis of human cells that suggests that most protein-coding genes, including most genes thought to be transcriptionally inactive, experience transcription initiation. We found that nucleosomes with H3K4me3 and H3K9,14Ac modifications, together with RNA polymerase II, occupy the promoters of most protein-coding genes in human embryonic stem cells. Only a subset of these genes produce detectable full-length transcripts and are occupied by nucleosomes with H3K36me3 modifications, a hallmark of elongation. The other genes experience transcription initiation but show no evidence of elongation, suggesting that they are predominantly regulated at postinitiation steps. Genes encoding most developmental regulators fall into this group. Our results also identify a class of genes that are excluded from experiencing transcription initiation, at which mechanisms that prevent initiation must predominate. These observations extend to differentiated cells, suggesting that transcription initiation at most genes is a general phenomenon in human cells.