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.

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.

Understanding how DNA binding proteins control global gene expression and chromosomal maintenance requires knowledge of the chromosomal locations at which these proteins function in vivo. We developed a microarray method that reveals the genome-wide location of DNA-bound proteins and used this method to monitor binding of gene-specific transcription activators in yeast. A combination of location and expression profiles was used to identify genes whose expression is directly controlled by Gal4 and Ste12 as cells respond to changes in carbon source and mating pheromone, respectively. The results identify pathways that are coordinately regulated by each of the two activators and reveal previously unknown functions for Gal4 and Ste12. Genome-wide location analysis will facilitate investigation of gene regulatory networks, gene function, and genome maintenance.

Eukaryotic genomes are packaged into nucleosomes whose position and chemical modification state can profoundly influence regulation of gene expression. We profiled nucleosome modifications across the yeast genome using chromatin immunoprecipitation coupled with DNA microarrays to produce high-resolution genome-wide maps of histone acetylation and methylation. These maps take into account changes in nucleosome occupancy at actively transcribed genes and, in doing so, revise previous assessments of the modifications associated with gene expression. Both acetylation and methylation of histones are associated with transcriptional activity, but the former occurs predominantly at the beginning of genes, whereas the latter can occur throughout transcribed regions. Most notably, specific methylation events are associated with the beginning, middle, and end of actively transcribed genes. These maps provide the foundation for further understanding the roles of chromatin in gene expression and genome maintenance.

It is widely assumed that the key rate-limiting step in gene activation is the recruitment of RNA polymerase II (Pol II) to the core promoter. Although there are well-documented examples in which Pol II is recruited to a gene but stalls, a general role for Pol II stalling in development has not been established. We have carried out comprehensive Pol II chromatin immunoprecipitation microarray (ChIP-chip) assays in Drosophila embryos and identified three distinct Pol II binding behaviors: active (uniform binding across the entire transcription unit), no binding, and stalled (binding at the transcription start site). The notable feature of the approximately 10% genes that are stalled is that they are highly enriched for developmental control genes, which are either repressed or poised for activation during later stages of embryogenesis. We propose that Pol II stalling facilitates rapid temporal and spatial changes in gene activity during development.

Regulation of gene expression is integral to the development and survival of all organisms. Transcription begins with the assembly of a pre-initiation complex at the gene promoter1, followed by initiation of RNA synthesis and the transition to productive elongation2,3,4. In many cases, recruitment of RNA polymerase II (Pol II) to a promoter is necessary and sufficient for activation of genes. However, there are a few notable exceptions to this paradigm, including heat shock genes and several proto-oncogenes, whose expression is attenuated by regulated stalling of polymerase elongation within the promoter-proximal region5,6,7,8,9,10,11,12,13. To determine the importance of polymerase stalling for transcription regulation, we carried out a genome-wide search for Drosophila melanogaster genes with Pol II stalled within the promoter-proximal region. Our data show that stalling is widespread, occurring at hundreds of genes that respond to stimuli and developmental signals. This finding indicates a role for regulation of polymerase elongation in the transcriptional responses to dynamic environmental and developmental cues.

Genome-wide location analysis was used to determine how the yeast cell cycle gene expression program is regulated by each of the nine known cell cycle transcriptional activators. We found that cell cycle transcriptional activators that function during one stage of the cell cycle regulate transcriptional activators that function during the next stage. This serial regulation of transcriptional activators forms a connected regulatory network that is itself a cycle. Our results also reveal how the nine transcriptional regulators coordinately regulate global gene expression and diverse stage-specific functions to produce a continuous cycle of cellular events. This information forms the foundation for a complete map of the transcriptional regulatory network that controls the cell cycle.

The arrangement (syntax) of transcription factor (TF) binding motifs is an important part of the cis-regulatory code, yet remains elusive. We introduce a deep learning model, BPNet, that uses DNA sequence to predict base-resolution chromatin immunoprecipitation (ChIP)-nexus binding profiles of pluripotency TFs. We develop interpretation tools to learn predictive motif representations and identify soft syntax rules for cooperative TF binding interactions. Strikingly, Nanog preferentially binds with helical periodicity, and TFs often cooperate in a directional manner, which we validate using clustered regularly interspaced short palindromic repeat (CRISPR)-induced point mutations. Our model represents a powerful general approach to uncover the motifs and syntax of cis-regulatory sequences in genomics data.

Summary Chromatin accessibility is integral to the process by which transcription factors (TFs) read out cis-regulatory DNA sequences, but it is difficult to differentiate between TFs that drive accessibility and those that do not. Deep learning models that learn complex sequence rules provide an unprecedented opportunity to dissect this problem. Using zygotic genome activation in the Drosophila embryo as a model, we generated high-resolution TF binding and chromatin accessibility data, analyzed the data with interpretable deep learning, and performed genetic experiments for validation. We uncover a clear hierarchical relationship between the pioneer TF Zelda and the TFs involved in axis patterning. Zelda consistently pioneers chromatin accessibility proportional to motif affinity, while patterning TFs augment chromatin accessibility in sequence contexts in which they mediate enhancer activation. We conclude that chromatin accessibility occurs in two phases: one through pioneering, which makes enhancers accessible but not necessarily active, and a second when the correct combination of transcription factors leads to enhancer activation.