Abstract Chromatin features are widely used for genome-scale mapping of enhancers. However, discriminating active enhancers from other cis-regulatory elements, predicting enhancer strength, and identifying their target genes remains challenging. Here we establish histone H2B N-terminus multisite lysine acetylation (H2BNTac) as a genuine signature of active enhancers. H2BNTac prominently marks candidate active enhancers and their target promoters and discriminates them from ubiquitously active promoters. Two mechanisms afford the distinct H2BNTac specificity. (1) Unlike H3K27ac, H2BNTac is specifically catalyzed by CBP/p300. (2) H2A-H2B, but not H3-H4, are rapidly exchanged through transcription-induced nucleosome remodeling. H2BNTac-positive candidate enhancers show a high validation rate in orthogonal enhancer activity assays, and a vast majority of endogenously active enhancers are marked by H2BNTac and H3K27ac. Notably, H2BNTac intensity predicts enhancer strength and outperforms the current state-of-the-art models in predicting enhancer target genes. These findings have broad implications for generating fine-grained enhancer maps and modeling enhancer-dependent gene regulation.

Abstract Cis-regulatory enhancers are essential for differential expression of developmental and housekeeping genes. However, the specificity of native mammalian enhancers and how it shapes cell-type-specific gene expression landscapes remain largely unknown. We show that endogenous enhancers are broadly compatible with the promoters of developmental and housekeeping genes. Broad enhancer compatibility affords ‘retrofitting’ new regulatory capabilities to housekeeping genes that evolved before the advent of enhancers. This enables cell-type-specific tuning of ubiquitously expressed genes. Segregation between enhancer-dependent and –independent type regulation is blurred. Within the same cell type, a single promoter can be activated by enhancers and non-enhancer promoter-regulatory elements (PREs). It is the tunable and integrated strengths of enhancers and PREs that quantitatively shape gene expression landscapes, within and across cell types. Our findings have broad implications for understanding cell-type-specific quantitative gene expression variation, as well as the emergence and rewiring of gene regulatory networks in disease and organismal evolution.

Abstract The SUV39 class of methyltransferase enzymes deposits histone H3 lysine 9 di- and trimethylation (H3K9me2/3), the hallmark of constitutive heterochromatin. How these enzymes are regulated to mark specific genomic regions as heterochromatic is poorly understood. Clr4 is the sole H3K9me2/3 methyltransferase in the fission yeast S. pombe and recent evidence suggests that ubiquitination of lysine 14 on histone H3 (H3K14ub) plays a key role in H3K9 methylation. However, the molecular mechanism of this regulation and its role in heterochromatin formation remains to be determined. Our structure-function approach shows that the H3K14ub substrate binds specifically and tightly to the catalytic domain of Clr4, and thereby stimulates the enzyme by over 250-fold. Mutations that disrupt this mechanism lead to a loss of H3K9me2/3 and abolish heterochromatin silencing similar to clr4 deletion. Comparison with mammalian SET domain proteins suggests that the Clr4 SET domain harbours a conserved sensor for H3K14ub, which mediates licensing of heterochromatin formation.

In all eukaryotes, acetylation of histone lysine residues correlates with transcription activation. Whether histone acetylation is a cause or consequence of transcription is debated. One model suggests that transcription promotes the recruitment and/or activation of acetyltransferases, and histone acetylation occurs as a consequence of ongoing transcription. However, the extent to which transcription shapes the global protein acetylation landscapes is not known. Here, we show that global protein acetylation remains virtually unaltered after acute transcription inhibition. Transcription inhibition ablates the co-transcriptionally occurring ubiquitylation of H2BK120 but does not reduce histone acetylation. The combined inhibition of transcription and CBP/p300 further demonstrates that acetyltransferases remain active and continue to acetylate histones independently of transcription. Together, these results show that histone acetylation is not a mere consequence of transcription; acetyltransferase recruitment and activation are uncoupled from the act of transcription, and histone and non-histone protein acetylation are sustained in the absence of ongoing transcription.

Proteins with highly charged disordered regions are abundant in the nucleus, where many of them interact with nucleic acids and control key processes such as transcription. The functional advantages conferred by protein disorder, however, have largely remained unclear. Here we show that disorder can facilitate a remarkable regulatory mechanism involving molecular competition. Single-molecule experiments demonstrate that the human linker histone H1 binds to the nucleosome with ultra-high affinity. However, the large-amplitude dynamics of the positively charged disordered regions of H1 persist on the nucleosome and facilitate the interaction with the highly negatively charged and disordered histone chaperone prothymosin α. Consequently, prothymosin α can efficiently invade the H1-nucleosome complex and displace H1 via competitive substitution. By integrating experiments and simulations, we establish a molecular model that rationalizes this process structurally and kinetically. Given the abundance of charged disordered regions in the nuclear proteome, this mechanism may be widespread in cellular regulation.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.