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.

The transcriptional regulatory networks that specify and maintain human tissue diversity are largely uncharted. To gain insight into this circuitry, we used chromatin immunoprecipitation combined with promoter microarrays to identify systematically the genes occupied by the transcriptional regulators HNF1α, HNF4α, and HNF6, together with RNA polymerase II, in human liver and pancreatic islets. We identified tissue-specific regulatory circuits formed by HNF1α, HNF4α, and HNF6 with other transcription factors, revealing how these factors function as master regulators of hepatocyte and islet transcription. Our results suggest how misregulation of HNF4α can contribute to type 2 diabetes.

Current therapies for medulloblastoma, a highly malignant childhood brain tumour, impose debilitating effects on the developing child, and highlight the need for molecularly targeted treatments with reduced toxicity. Previous studies have been unable to identify the full spectrum of driver genes and molecular processes that operate in medulloblastoma subgroups. Here we analyse the somatic landscape across 491 sequenced medulloblastoma samples and the molecular heterogeneity among 1,256 epigenetically analysed cases, and identify subgroup-specific driver alterations that include previously undiscovered actionable targets. Driver mutations were confidently assigned to most patients belonging to Group 3 and Group 4 medulloblastoma subgroups, greatly enhancing previous knowledge. New molecular subtypes were differentially enriched for specific driver events, including hotspot in-frame insertions that target KBTBD4 and ‘enhancer hijacking’ events that activate PRDM6. Thus, the application of integrative genomics to an extensive cohort of clinical samples derived from a single childhood cancer entity revealed a series of cancer genes and biologically relevant subtype diversity that represent attractive therapeutic targets for the treatment of patients with medulloblastoma. Genomic analysis of 491 medulloblastoma samples, including methylation profiling of 1,256 cases, effectively assigns candidate drivers to most tumours across all molecular subgroups. Medulloblastomas are highly malignant brain tumours that develop during childhood. Paul Northcott and colleagues analysed the whole-genome sequences of 491 medulloblastomas in order to characterize the genomic landscape across tumours and identify new drivers and mutational signatures. Their integrative genomic analyses, including methylation profiling of 1,256 medulloblastomas, identifies subgroup-specific driver mutations and suggests additional tumour subtypes. The authors assign driver mutations to a high proportion of the less well characterized Group 3 and Group 4, which together contribute to more than 60% of all medulloblastomas.

Abstract Background The regulatory map of a genome consists of the binding sites for proteins that determine the transcription of nearby genes. An initial regulatory map for S. cerevisiae was recently published using six motif discovery programs to analyze genome-wide chromatin immunoprecipitation data for 203 transcription factors. The programs were used to identify sequence motifs that were likely to correspond to the DNA-binding specificity of the immunoprecipitated proteins. We report improved versions of two conservation-based motif discovery algorithms, PhyloCon and Converge. Using these programs, we create a refined regulatory map for S. cerevisiae by reanalyzing the same chromatin immunoprecipitation data. Results Applying the same conservative criteria that were applied in the original study, we find that PhyloCon and Converge each separately discover more known specificities than the combination of all six programs in the previous study. Combining the results of PhyloCon and Converge, we discover significant sequence motifs for 36 transcription factors that were previously missed. The new set of motifs identifies 636 more regulatory interactions than the previous one. The new network contains 28% more regulatory interactions among transcription factors, evidence of greater cross-talk between regulators. Conclusion Combining two complementary computational strategies for conservation-based motif discovery improves the ability to identify the specificity of transcriptional regulators from genome-wide chromatin immunoprecipitation data. The increased sensitivity of these methods significantly expands the map of yeast regulatory sites without the need to alter any of the thresholds for statistical significance. The new map of regulatory sites reveals a more elaborate and complex view of the yeast genetic regulatory network than was observed previously.

Foxp3+CD4+CD25+ regulatory T (Treg) cells are essential for the prevention of autoimmunity1,2. Treg cells have an attenuated cytokine response to T-cell receptor stimulation, and can suppress the proliferation and effector function of neighbouring T cells3,4. The forkhead transcription factor Foxp3 (forkhead box P3) is selectively expressed in Treg cells, is required for Treg development and function, and is sufficient to induce a Treg phenotype in conventional CD4+CD25- T cells5,6,7,8. Mutations in Foxp3 cause severe, multi-organ autoimmunity in both human and mouse9,10,11. FOXP3 can cooperate in a DNA-binding complex with NFAT (nuclear factor of activated T cells) to regulate the transcription of several known target genes12. However, the global set of genes regulated directly by Foxp3 is not known and consequently, how this transcription factor controls the gene expression programme for Treg function is not understood. Here we identify Foxp3 target genes and report that many of these are key modulators of T-cell activation and function. Remarkably, the predominant, although not exclusive, effect of Foxp3 occupancy is to suppress the activation of target genes on T-cell stimulation. Foxp3 suppression of its targets appears to be crucial for the normal function of Treg cells, because overactive variants of some target genes are known to be associated with autoimmune disease.

Heat-Shock Factor 1 (HSF1), master regulator of the heat-shock response, facilitates malignant transformation, cancer cell survival, and proliferation in model systems. The common assumption is that these effects are mediated through regulation of heat-shock protein (HSP) expression. However, the transcriptional network that HSF1 coordinates directly in malignancy and its relationship to the heat-shock response have never been defined. By comparing cells with high and low malignant potential alongside their nontransformed counterparts, we identify an HSF1-regulated transcriptional program specific to highly malignant cells and distinct from heat shock. Cancer-specific genes in this program support oncogenic processes: cell-cycle regulation, signaling, metabolism, adhesion and translation. HSP genes are integral to this program, however, many are uniquely regulated in malignancy. This HSF1 cancer program is active in breast, colon and lung tumors isolated directly from human patients and is strongly associated with metastasis and death. Thus, HSF1 rewires the transcriptome in tumorigenesis, with prognostic and therapeutic implications.

To identify novel genes associated with ALS, we undertook two lines of investigation. We carried out a genome-wide association study comparing 20,806 ALS cases and 59,804 controls. Independently, we performed a rare variant burden analysis comparing 1,138 index familial ALS cases and 19,494 controls. Through both approaches, we identified kinesin family member 5A (KIF5A) as a novel gene associated with ALS. Interestingly, mutations predominantly in the N-terminal motor domain of KIF5A are causative for two neurodegenerative diseases: hereditary spastic paraplegia (SPG10) and Charcot-Marie-Tooth type 2 (CMT2). In contrast, ALS-associated mutations are primarily located at the C-terminal cargo-binding tail domain and patients harboring loss-of-function mutations displayed an extended survival relative to typical ALS cases. Taken together, these results broaden the phenotype spectrum resulting from mutations in KIF5A and strengthen the role of cytoskeletal defects in the pathogenesis of ALS.

We demonstrate that the binding sites for highly conserved transcription factors vary extensively between human and mouse. We mapped the binding of four tissue-specific transcription factors (FOXA2, HNF1A, HNF4A and HNF6) to 4,000 orthologous gene pairs in hepatocytes purified from human and mouse livers. Despite the conserved function of these factors, from 41% to 89% of their binding events seem to be species specific. When the same protein binds the promoters of orthologous genes, approximately two-thirds of the binding sites do not align.