Summary

 Protein-DNA cross-linking of cultured Drosophila cells has shown that, in vivo, prior to the induction of heat shock, there is approximately one molecule of RNA polymerase II associated with the promoter region of the major heat shock gene, hsp70. Here, we show that this promoter-associated RNA polymerase II molecule is transcriptionally engaged and has formed a nascent RNA chain of approximately 25 nucleotides in length, but is apparently arrested at that point and unable to penetrate further into the hsp70 gene without heat induction. The detection of a post-initiation RNA polymerase complex on the promoter region of the inactive gene suggests that there is a transcriptional control mechanism that acts at a step early in transcript elongation.

The heat shock response (HSR) is critical for survival of all organisms. However, its scope, extent, and the molecular mechanism of regulation are poorly understood. Here we show that the genome-wide transcriptional response to heat shock in mammals is rapid and dynamic and results in induction of several hundred and repression of several thousand genes. Heat shock factor 1 (HSF1), the “master regulator” of the HSR, controls only a fraction of heat shock-induced genes and does so by increasing RNA polymerase II release from promoter-proximal pause. Notably, HSF2 does not compensate for the lack of HSF1. However, serum response factor appears to transiently induce cytoskeletal genes independently of HSF1. The pervasive repression of transcription is predominantly HSF1-independent and is mediated through reduction of RNA polymerase II pause release. Overall, mammalian cells orchestrate rapid, dynamic, and extensive changes in transcription upon heat shock that are largely modulated at pause release, and HSF1 plays a limited and specialized role.

Abstract Tracking active transcription with the nuclear run-on (NRO) assays has been instrumental in uncovering mechanisms of gene regulation. The coupling of NROs with high-throughput sequencing has facilitated the discovery of previously unannotated or undetectable RNA classes genome-wide. Precision run-on sequencing (PRO-seq) is a run-on variant that maps polymerase active sites with nucleotide or near-nucleotide resolution. One main drawback to this and many other nascent RNA detection methods is the somewhat intimidating multi-day workflow associated with creating the libraries suitable for high-throughput sequencing. Here, we present an improved PRO-seq protocol where many of the enzymatic steps are carried out while the biotinylated NRO RNA remains bound to streptavidin-coated magnetic beads. These adaptations reduce time, sample loss and RNA degradation, and we demonstrate that the resulting libraries are of the same quality as libraries generated using the original published protocol. The assay is also more sensitive which permits reproducible, high-quality libraries from 10 4 –10 5 cells instead of 10 6 –10 7 . Altogether, the improved protocol is more tractable allows for nascent RNA profiling from small samples, such as rare samples or FACS sorted cell populations.

A bstract The glucocorticoid receptor (GR) regulates transcription through binding to specific DNA motifs, particularly at enhancers. While the motif to which it binds is constant across cell types, GR has cell type-specific binding at genomic loci, resulting in regulation of different genes. The presence of other bound transcription factors (TFs) is hypothesized to strongly influence where GR binds. Here, we addressed the roles of other TFs in the glucocorticoid response by comparing changes in GR binding and nascent transcription at promoters and distal candidate cis-regulatory elements (CCREs) in two distinct human cancer cell types. We found that after glucocorticoid treatment, GR binds to thousands of genomic loci that are primarily outside of promoter regions and are potentially enhancers. The majority of these GR binding sites are cell-type specific, and they are associated with pioneer factor binding. A small fraction of GR occupied regions (GORs) displayed increased bidirectional nascent transcription, which is a characteristic of many active enhancers, after glucocorticoid treatment. Non-promoter GORs with increased transcription were specifically enriched for AP-1 binding prior to glucocorticoid treatment. These results support a model of transcriptional regulation in which multiple classes of TFs are required. The pioneer factors increase chromatin accessibility, facilitating the binding of GR and additional factors. AP-1 binding poises a fraction of accessible sites to be rapidly transcribed upon glucocorticoid-induced GR binding. The coordinated activity of multiple TFs then results in cell type-specific changes in gene expression. We anticipate that many models of inducible gene expression also require multiple distinct TFs that act at multiple steps of transcriptional regulation.

Summary Transcriptionally silent genes must be activated throughout development. This requires nucleosomes be removed from promoters and enhancers to allow transcription factor binding (TFs) and recruitment of coactivators and RNA Polymerase II (Pol II). Specialized pioneer TFs bind nucleosome-wrapped DNA to perform this chromatin opening by mechanisms that remain incompletely understood 1–3 . Here, we show that GAGA-factor (GAF), a Drosophila pioneer factor 4 , interacts with both SWI/SNF and ISWI family chromatin remodelers to allow recruitment of Pol II and entry to a promoter-proximal paused state, and also to promote Pol II’s transition to productive elongation. We found that GAF functions with PBAP (SWI/SNF) to open chromatin and allow Pol II to be recruited. Importantly this activity is not dependent on NURF as previously proposed 5–7 ; however, GAF also functions with NURF downstream of this process to ensure efficient Pol II pause release and transition to productive elongation apparently through its role in precisely positioning the +1 nucleosome. These results demonstrate how a single sequence-specific pioneer TF can synergize with remodelers to activate sets of genes. Furthermore, this behavior of remodelers is consistent with findings in yeast 8–10 and mice 11–13 , and likely represents general, conserved mechanisms found throughout Eukarya.

Abstract Mounting evidence supports the idea that transcriptional patterns serve as more specific identifiers of active enhancers than histone marks 1,2 ; however, the optimal strategy to identify active enhancers both experimentally and computationally has not been determined. In this study, we compared 13 genome-wide RNA sequencing assays in K562 cells and showed that the nuclear run-on followed by cap-selection assay (namely, GRO/PRO-cap) has significant advantages in eRNA detection and active enhancer identification. We also introduced a new analytical tool, Peak Identifier for Nascent-Transcript Sequencing (PINTS), to identify active promoters and enhancers genome-wide and pinpoint the precise location of the 5’ transcription start sites (TSSs) within these regulatory elements. Finally, we compiled a comprehensive enhancer candidate compendium based on the detected eRNA TSSs available in 120 cell and tissue types. To facilitate the exploration and prioritization of these enhancer candidates, we also built a user-friendly web server ( https://pints.yulab.org ) for the compendium with various additional genomic and epigenomic annotations. With the knowledge of the best available assays and pipelines, this large-scale annotation of candidate enhancers will pave the road for selection and characterization of their functions in a time-, labor-, and cost-effective manner in the future.

RNA polymerase II (RNA Pol II)-mediated transcription is a critical, highly regulated process aided by protein complexes at distinct steps. Here, to investigate RNA Pol II and transcription-factor-binding and dissociation dynamics, we generated endogenous photoactivatable-GFP (PA-GFP) and HaloTag knockins using CRISPR-Cas9, allowing us to track a population of molecules at the induced Hsp70 loci in Drosophila melanogaster polytene chromosomes. We found that early in the heat-shock response, little RNA Pol II and DRB sensitivity-inducing factor (DSIF) are reused for iterative rounds of transcription. Surprisingly, although PAF1 and Spt6 are found throughout the gene body by chromatin immunoprecipitation (ChIP) assays, they show markedly different binding behaviors. Additionally, we found that PAF1 and Spt6 are only recruited after positive transcription elongation factor (P-TEFb)-mediated phosphorylation and RNA Pol II promoter-proximal pause escape. Finally, we observed that PAF1 may be expendable for transcription of highly expressed genes where nucleosome density is low. Thus, our live-cell imaging data provide key constraints to mechanistic models of transcription regulation.

Femto-seq is a novel nanoscale optical method that can be used to obtain DNA sequence information from targeted regions around a specific locus or other nuclear regions of interest. Two-photon excitation is used to photobiotinylate femtoliter volumes of chromatin within the nucleus, allowing for subsequent isolation and sequencing of DNA, and bioinformatic mapping of any nuclear region of interest in a select set of cells from a heterogenous population.

Transcriptional regulatory changes have been shown to contribute to phenotypic differences between species, but many questions remain about how gene expression evolves. Here we report the first comparative study of nascent transcription in primates. We used PRO-seq to map actively transcribing RNA polymerases in resting and activated CD4+ T-cells in multiple human, chimpanzee, and rhesus macaque individuals, with rodents as outgroups. This approach allowed us to measure transcription separately from post-transcriptional processes. We observed general conservation in coding and non-coding transcription, punctuated by numerous differences between species, particularly at distal enhancers and non-coding RNAs. We found evidence that transcription factor binding sites are a primary determinant of transcriptional differences between species, that stabilizing selection maintains gene expression levels despite frequent changes at distal enhancers, and that adaptive substitutions have driven lineage-specific transcription. Finally, we found strong correlations between evolutionary rates and long-range chromatin interactions. These observations clarify the role of primary transcription in regulatory evolution.

To initiate X-chromosome inactivation (XCI), the long non-coding RNA Xist mediates chromosome-wide gene silencing of one X chromosome in female mammals to equalize gene dosage between the sexes. The efficiency of gene silencing, however is highly variable across genes, with some genes even escaping XCI in somatic cells. A genes susceptibility to Xist-mediated silencing appears to be determined by a complex interplay of epigenetic and genomic features; however, the underlying rules remain poorly understood. We have quantified chromosome-wide gene silencing kinetics at the level of the nascent transcriptome using allele-specific Precision nuclear Run-On sequencing (PRO-seq). We have developed a Random Forest machine learning model that can predict the measured silencing dynamics based on a large set of epigenetic and genomic features and tested its predictive power experimentally. While the genomic distance to the Xist locus is the prime determinant of the speed of gene silencing, we find that also pre-marking of gene promoters with polycomb complexes is associated with fast silencing. Moreover, a series of features associated with active transcription and the O-GlcNAc transferase Ogt are enriched at rapidly silenced genes. Our machine learning approach can thus uncover the complex combinatorial rules underlying gene silencing during X inactivation.