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.

The biochemical analysis of cellular trans-activators involved in promoter recognition provides an important step toward understanding the mechanisms of gene expression in animal cells. The promoter selective transcription factor, Sp1, has been purified from human cells to more than 95 percent homogeneity by sequence-specific DNA affinity chromatography. Isolation and renaturation of proteins purified from sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gels allowed the identification of two polypeptides (105 and 95 kilodaltons) as those responsible for recognizing and interacting specifically with the GC-box promoter elements characteristic of Sp1 binding sites.

The covalent modification of nucleosomal histones has emerged as a major determinant of chromatin structure and gene activity. To understand the interplay between various histone modifications, including acetylation and methylation, we performed a genome-wide chromatin structure analysis in a higher eukaryote. We found a binary pattern of histone modifications among euchromatic genes, with active genes being hyperacetylated for H3 and H4 and hypermethylated at Lys 4 and Lys 79 of H3, and inactive genes being hypomethylated and deacetylated at the same residues. Furthermore, the degree of modification correlates with the level of transcription, and modifications are largely restricted to transcribed regions, suggesting that their regulation is tightly linked to polymerase activity.

Abstract

 In S. cerevisiae, the chromatin structure of DNA replication origins changes as cells become competent for DNA replication, suggesting that G1 phase-specific association of replication factors with origin DNA regulates entry into S phase. We demonstrate that ORC, Cdc45p, and MCM proteins are components of prereplication complexes (pre-RC). The MCM-origin association is dependent upon ORC and Cdc6p. During S phase, MCM proteins and Cdc45p dissociate from origin DNA and associate with nonorigin DNA with similar kinetics as DNA Polymerase ε, which is present at DNA replication forks. Our results identify protein components of the pre-RC and a novel replication complex appearing at the G1/S transition (the RC), and suggest that after initiation MCM proteins and Cdc45p move with eukaryotic replication forks.

The eukaryotic upstream binding factor (UBF), recognizes the ribosomal RNA gene promoter and activates transcription mediated by RNA polymerase I through cooperative interactions with the species-specific factor, SL1. Isolation of complementary DNA clones and sequence analysis reveals similarities between DNA binding domains of human UBF (hUBF) and high mobility group (HMG) protein 1. Expression, cellular localization and in vitro transcription studies establish that cloned hUBF encodes a nucleolar factor that binds specifically to the upstream control element and core of the rRNA gene promoter to activate transcription in a binding site-dependent manner.

The genes encoding two of the subunits of the Saccharomyces cerevisiae origin recognition complex (ORC) have been isolated. Characterization of a temperature-sensitive mutation in the gene encoding the 72-kD subunit of ORC ( ORC2 ) indicates that this protein complex functions early in the DNA replication process. Moreover, ORC derived from orc2 ts cells is defective for DNA binding. Others have shown a defect in orc2 ts cells in transcriptional silencing at the silent mating-type loci. Consistent with this finding, ORC specifically binds to each of the four mating-type silencers identified in yeast. These findings support the hypothesis that ORC acts as an initiator protein at yeast origins of DNA replication and suggest that ORC also functions in the determination of transcriptional domains.

DNA replication origins are fundamental to chromosome organization and duplication, but understanding of these elements is limited because only a small fraction of these sites have been identified in eukaryotic genomes. Origin Recognition Complex (ORC) and minichromosome maintenance (MCM) proteins form prereplicative complexes at origins of replication. Using these proteins as molecular landmarks for origins, we identified ORC- and MCM-bound sites throughout the yeast genome. Four hundred twenty-nine sites in the yeast genome were predicted to contain replication origins, and ∼80% of the loci identified on chromosome X demonstrated origin function. A substantial fraction of the predicted origins are associated with repetitive DNA sequences, including subtelomeric elements (X and Y') and transposable element–associated sequences (long terminal repeats). These findings identify the global set of yeast replication origins and open avenues of investigation into the role(s) ORC and MCM proteins play in chromosomal architecture and dynamics.

The origin recognition complex (ORC) specifies replication origin location. The Saccharomyces cerevisiae ORC recognizes the ARS (autonomously replicating sequence) consensus sequence (ACS), but only a subset of potential genomic sites are bound, suggesting other chromosomal features influence ORC binding. Using high-throughput sequencing to map ORC binding and nucleosome positioning, we show that yeast origins are characterized by an asymmetric pattern of positioned nucleosomes flanking the ACS. The origin sequences are sufficient to maintain a nucleosome-free origin; however, ORC is required for the precise positioning of nucleosomes flanking the origin. These findings identify local nucleosomes as an important determinant for origin selection and function.

The human ribosomal RNA promoter contains two distinct control elements (UCE and core) both of which are recognized by the sequence-specific DNA binding protein UBF1, which has now been purified to apparent homogeneity. The purified factor activates RNA polymerase I (RNA pol I) transcription through direct interactions with either control element. A second RNA pol I transcription factor, designated SL1, participates in the promoter recognition process and is required to reconstitute transcription in vitro. Although SL1 alone has no sequence-specific DNA binding activity, deoxyribonuclease I footprinting experiments reveal that a cooperative interaction between UBF1 and SL1 leads to the formation of a new protein-DNA complex at the UCE and core elements. In vitro transcription experiments indicate that formation of the UBF1-SL1 complex is vital for transcriptional activation by UBF1. Thus, protein-protein interactions between UBF1 and SL1 are required for targeting of SL1 to cis-control sequences of the promoter.