Transcription factors control cell-specific gene expression programs through interactions with diverse coactivators and the transcription apparatus. Gene activation may involve DNA loop formation between enhancer-bound transcription factors and the transcription apparatus at the core promoter, but this process is not well understood. Here we report that mediator and cohesin physically and functionally connect the enhancers and core promoters of active genes in murine embryonic stem cells. Mediator, a transcriptional coactivator, forms a complex with cohesin, which can form rings that connect two DNA segments. The cohesin-loading factor Nipbl is associated with mediator-cohesin complexes, providing a means to load cohesin at promoters. DNA looping is observed between the enhancers and promoters occupied by mediator and cohesin. Mediator and cohesin co-occupy different promoters in different cells, thus generating cell-type-specific DNA loops linked to the gene expression program of each cell.

Gene expression is controlled by transcription factors (TFs) that consist of DNA-binding domains (DBDs) and activation domains (ADs). The DBDs have been well characterized, but little is known about the mechanisms by which ADs effect gene activation. Here, we report that diverse ADs form phase-separated condensates with the Mediator coactivator. For the OCT4 and GCN4 TFs, we show that the ability to form phase-separated droplets with Mediator in vitro and the ability to activate genes in vivo are dependent on the same amino acid residues. For the estrogen receptor (ER), a ligand-dependent activator, we show that estrogen enhances phase separation with Mediator, again linking phase separation with gene activation. These results suggest that diverse TFs can interact with Mediator through the phase-separating capacity of their ADs and that formation of condensates with Mediator is involved in gene activation.

A class of long non-coding RNA (lncRNA) with enhancer-like activity is found to associate with the co-activator complex Mediator and promote its genomic association and enzymatic activity; together with Mediator, the lncRNAs also help to maintain the chromosomal architecture of active regulatory elements. Long non-coding RNAs (lncRNAs) can both repress and activate gene expression. Here, a class of lncRNAs with enhancer-like activity is found to associate with the translational co-activator complex Mediator. Termed ncRNA-activating (ncRNA-a), these molecules promote the genomic association and enzymatic activity of Mediator, and acting together with Mediator, they also help to maintain the chromosomal architecture of active regulatory elements. Importantly, Mediator complexes containing disease-linked mutant MED12 proteins fail to associate with ncRNA-a. The MED12 gene encodes a Mediator complex subunit, and MED12 mutations have been linked to FG syndrome, a rare genetic disorder with symptoms including intellectual disability. This work suggests that the loss of Mediator–ncRNA-a interactions might be a possible contributing factor in such developmental diseases. Recent advances in genomic research have revealed the existence of a large number of transcripts devoid of protein-coding potential in multiple organisms1,2,3,4,5,6,7,8. Although the functional role for long non-coding RNAs (lncRNAs) has been best defined in epigenetic phenomena such as X-chromosome inactivation and imprinting, different classes of lncRNAs may have varied biological functions8,9,10,11,12,13. We and others have identified a class of lncRNAs, termed ncRNA-activating (ncRNA-a), that function to activate their neighbouring genes using a cis-mediated mechanism5,14,15,16. To define the precise mode by which such enhancer-like RNAs function, we depleted factors with known roles in transcriptional activation and assessed their role in RNA-dependent activation. Here we report that depletion of the components of the co-activator complex, Mediator, specifically and potently diminished the ncRNA-induced activation of transcription in a heterologous reporter assay using human HEK293 cells. In vivo, Mediator is recruited to ncRNA-a target genes and regulates their expression. We show that ncRNA-a interact with Mediator to regulate its chromatin localization and kinase activity towards histone H3 serine 10. The Mediator complex harbouring disease-17,18 displays diminished ability to associate with activating ncRNAs. Chromosome conformation capture confirmed the presence of DNA looping between the ncRNA-a loci and its targets. Importantly, depletion of Mediator subunits or ncRNA-a reduced the chromatin looping between the two loci. Our results identify the human Mediator complex as the transducer of activating ncRNAs and highlight the importance of Mediator and activating ncRNA association in human disease.

The synthesis of pre-mRNA by RNA polymerase II (Pol II) involves the formation of a transcription initiation complex, and a transition to an elongation complex1–4. The large subunit of Pol II contains an intrinsically disordered C-terminal domain that is phosphorylated by cyclin-dependent kinases during the transition from initiation to elongation, thus influencing the interaction of the C-terminal domain with different components of the initiation or the RNA-splicing apparatus5,6. Recent observations suggest that this model provides only a partial picture of the effects of phosphorylation of the C-terminal domain7–12. Both the transcription-initiation machinery and the splicing machinery can form phase-separated condensates that contain large numbers of component molecules: hundreds of molecules of Pol II and mediator are concentrated in condensates at super-enhancers7,8, and large numbers of splicing factors are concentrated in nuclear speckles, some of which occur at highly active transcription sites9–12. Here we investigate whether the phosphorylation of the Pol II C-terminal domain regulates the incorporation of Pol II into phase-separated condensates that are associated with transcription initiation and splicing. We find that the hypophosphorylated C-terminal domain of Pol II is incorporated into mediator condensates and that phosphorylation by regulatory cyclin-dependent kinases reduces this incorporation. We also find that the hyperphosphorylated C-terminal domain is preferentially incorporated into condensates that are formed by splicing factors. These results suggest that phosphorylation of the Pol II C-terminal domain drives an exchange from condensates that are involved in transcription initiation to those that are involved in RNA processing, and implicates phosphorylation as a mechanism that regulates condensate preference. RNA polymerase II with a hypophosphorylated C-terminal domain preferentially incorporates into mediator condensates, and with a hyperphosphorylated C-terminal domain into splicing-factor condensates, revealing phosphorylation as a regulatory mechanism in condensate preference.

Drug partitioning in nuclear condensates There is increasing interest in the function of phase-separated biomolecular condensates in cells because of their distinct properties and expanding roles in important biological processes. Klein et al. considered the fate of small-molecule therapeutics in the context of nuclear condensates (see the Perspective by Viny and Levine). They show that certain antineoplastic drugs have physicochemical properties that cause them to concentrate preferentially in condensates, both in vitro and in cancer cells. This property influences drug activity, and protein mutations that alter condensate formation can lead to drug resistance. Optimizing condensate partitioning may be valuable in developing improved therapeutics. Science , this issue p. 1386 ; see also p. 1314

Super-enhancers (SEs), which are composed of large clusters of enhancers densely loaded with the Mediator complex, transcription factors and chromatin regulators, drive high expression of genes implicated in cell identity and disease, such as lineage-controlling transcription factors and oncogenes. BRD4 and CDK7 are positive regulators of SE-mediated transcription. By contrast, negative regulators of SE-associated genes have not been well described. Here we show that the Mediator-associated kinases cyclin-dependent kinase 8 (CDK8) and CDK19 restrain increased activation of key SE-associated genes in acute myeloid leukaemia (AML) cells. We report that the natural product cortistatin A (CA) selectively inhibits Mediator kinases, has anti-leukaemic activity in vitro and in vivo, and disproportionately induces upregulation of SE-associated genes in CA-sensitive AML cell lines but not in CA-insensitive cell lines. In AML cells, CA upregulated SE-associated genes with tumour suppressor and lineage-controlling functions, including the transcription factors CEBPA, IRF8, IRF1 and ETV6 (refs 6-8). The BRD4 inhibitor I-BET151 downregulated these SE-associated genes, yet also has anti-leukaemic activity. Individually increasing or decreasing the expression of these transcription factors suppressed AML cell growth, providing evidence that leukaemia cells are sensitive to the dosage of SE-associated genes. Our results demonstrate that Mediator kinases can negatively regulate SE-associated gene expression in specific cell types, and can be pharmacologically targeted as a therapeutic approach to AML.

The Mediator complex allows communication between transcription factors and RNA polymerase II (RNAPII). Cyclin-dependent kinase 8 (CDK8), the kinase found in some variants of Mediator, has been characterized mostly as a transcriptional repressor. Recently, CDK8 was demonstrated to be a potent oncoprotein. Here we show, using a human tumor cell line, that CDK8 is a positive regulator of genes within the serum response network, including several members of the activator protein 1 and early growth response family of oncogenic transcription factors. Mechanistic studies show that CDK8 is not required for RNAPII recruitment or promoter escape. Instead, CDK8 depletion leads to the appearance of slower elongation complexes carrying hypophosphorylated RNAPII. CDK8-Mediator regulates precise steps in the assembly of the RNAPII elongation complex, including the recruitment of positive transcription elongation factor b and BRD4. Furthermore, CDK8-Mediator specifically interacts with positive transcription elongation factor b. Thus, we have uncovered a role for CDK8 in transcriptional regulation that may contribute to its oncogenic effects.

The human CDK8 subcomplex (CDK8, cyclin C, Med12, and Med13) negatively regulates transcription in ways not completely defined; past studies suggested CDK8 kinase activity was required for its repressive function. Using a reconstituted transcription system together with recombinant or endogenous CDK8 subcomplexes, we demonstrate that, in fact, Med12 and Med13 are critical for subcomplex-dependent repression, whereas CDK8 kinase activity is not. A hallmark of activated transcription is efficient reinitiation from promoter-bound scaffold complexes that recruit a series of pol II enzymes to the gene. Notably, the CDK8 submodule strongly represses even reinitiation events, suggesting a means to fine tune transcript levels. Structural and biochemical studies confirm the CDK8 submodule binds the Mediator leg/tail domain via the Med13 subunit, and this submodule–Mediator association precludes pol II recruitment. Collectively, these results reveal the CDK8 subcomplex functions as a simple switch that controls the Mediator–pol II interaction to help regulate transcription initiation and reinitiation events. As Mediator is generally required for expression of protein-coding genes, this may reflect a common mechanism by which activated transcription is shut down in human cells.

Abstract Protein phosphorylation is one of the most widespread post-translational modifications in biology 1,2 . With advances in mass-spectrometry-based phosphoproteomics, 90,000 sites of serine and threonine phosphorylation have so far been identified, and several thousand have been associated with human diseases and biological processes 3,4 . For the vast majority of phosphorylation events, it is not yet known which of the more than 300 protein serine/threonine (Ser/Thr) kinases encoded in the human genome are responsible 3 . Here we used synthetic peptide libraries to profile the substrate sequence specificity of 303 Ser/Thr kinases, comprising more than 84% of those predicted to be active in humans. Viewed in its entirety, the substrate specificity of the kinome was substantially more diverse than expected and was driven extensively by negative selectivity. We used our kinome-wide dataset to computationally annotate and identify the kinases capable of phosphorylating every reported phosphorylation site in the human Ser/Thr phosphoproteome. For the small minority of phosphosites for which the putative protein kinases involved have been previously reported, our predictions were in excellent agreement. When this approach was applied to examine the signalling response of tissues and cell lines to hormones, growth factors, targeted inhibitors and environmental or genetic perturbations, it revealed unexpected insights into pathway complexity and compensation. Overall, these studies reveal the intrinsic substrate specificity of the human Ser/Thr kinome, illuminate cellular signalling responses and provide a resource to link phosphorylation events to biological pathways.