Abstract Transcriptional enhancers regulate gene expression in a developmental-stage and cell-specific manner. They were originally defined as individual regulatory elements that activate expression regardless of distance and orientation to their cognate genes. Genome-wide studies have shown that the mammalian enhancer landscape is much more complex, with different classes of individual enhancers and clusters of enhancer-like elements combining in additive, synergistic and redundant manners, possibly acting as single, integrated regulatory elements. These so-called super-enhancers are largely defined as clusters of enhancer-like elements which recruit particularly high levels of Mediator and often drive high levels of expression of key lineage-specific genes. Here, we analysed 78 erythroid-specific super-enhancers and showed that, as units, they preferentially interact in a directional manner, to drive expression of their cognate genes. Using the well characterised α-globin super-enhancer, we show that inverting this entire structure severely downregulates α-globin expression and activates flanking genes 5’ of the super-enhancer. Our detailed genetic dissection of the α-globin locus clearly attributes the cluster’s functional directionality to its sequence orientation, demonstrating that, unlike regular enhancers, super-enhancers act in an orientation-dependent manner. Together, these findings identify a novel emergent property of super-enhancers and revise current models by which enhancers are thought to contact and activate their cognate genes.

Owing to its roles in cellular signal transduction, protein phosphorylation plays critical roles in myriad cell processes. That said, detecting and quantifying protein phosphorylation has remained a challenge. We describe the use of a novel mass spectrometer (Orbitrap Astral) coupled with data-independent acquisition (DIA) to achieve rapid and deep analysis of human and mouse phosphoproteomes. With this method, we map approximately 30,000 unique human phosphorylation sites within a half-hour of data collection. The technology is benchmarked to other state-of-the-art MS platforms using both synthetic peptide standards and with EGF-stimulated HeLa cells. We apply this approach to generate a phosphoproteome multi-tissue atlas of the mouse. Altogether, we detect 81,120 unique phosphorylation sites within 12 hours of measurement. With this unique dataset, we examine the sequence, structural, and kinase specificity context of protein phosphorylation. Finally, we highlight the discovery potential of this resource with multiple examples of phosphorylation events relevant to mitochondrial and brain biology.

Owing to its roles in cellular signal transduction, protein phosphorylation plays critical roles in myriad cell processes. That said, detecting and quantifying protein phosphorylation has remained a challenge. We describe the use of a novel mass spectrometer (Orbitrap Astral) coupled with data-independent acquisition (DIA) to achieve rapid and deep analysis of human and mouse phosphoproteomes. With this method we map approximately 30,000 unique human phosphorylation sites within a half-hour of data collection. The technology was benchmarked to other state-of-the-art MS platforms using both synthetic peptide standards and with EGF-stimulated HeLa cells. We applied this approach to generate a phosphoproteome multi-tissue atlas of the mouse. Altogether, we detected 81,120 unique phosphorylation sites within 12 hours of measurement. With this unique dataset, we examine the sequence, structural, and kinase specificity context of protein phosphorylation. Finally, we highlight the discovery potential of this resource with multiple examples of novel phosphorylation events relevant to mitochondrial and brain biology.

Abstract Determining the mechanisms by which genes are switched on and off during development and differentiation is a key aim of current biomedical research. Gene transcription has been widely observed to occur in a discontinuous fashion, with short bursts of activity interspersed with longer periods of inactivity. It is currently not known if or how this dynamic behaviour changes as mammalian cells differentiate. To investigate this, using a newly developed on-microscope analysis, we monitored mouse α-globin transcription in live cells throughout sequential stages of erythropoiesis. We find that changes in the overall levels of α -globin transcription are most closely associated with changes in the fraction of time a gene spends in the active transcriptional state. We identify differences in the patterns of transcriptional bursting throughout differentiation, with maximal transcriptional activity occurring in the mid-phase of differentiation. Early in differentiation, we observe increased fluctuation in the patterns of transcriptional activity whereas at the peak of gene expression, in early and intermediate erythroblasts, transcription appears to be relatively stable and efficient. Later during differentiation as α -globin expression declines, we again observed more variability in transcription within individual cells. We propose that the observed changes in transcriptional behaviour may reflect changes in the stability of enhancer-promoter interactions and the formation of active transcriptional compartments as gene expression is turned on and subsequently declines at sequential stages of differentiation.

Fatty acid β-oxidation (FAO) is a central catabolic pathway with broad implications for organismal health. However, various fatty acids are largely incompatible with standard FAO machinery until they are modified by other enzymes. Included among these are the 4-hydroxy acids (4-HAs)-fatty acids hydroxylated at the 4 (γ) position-which can be provided from dietary intake, lipid peroxidation, and certain drugs of abuse. Here, we reveal that two atypical and poorly characterized acyl-CoA dehydrogenases (ACADs), ACAD10 and ACAD11, drive 4-HA catabolism in mice. Unlike other ACADs, ACAD10 and ACAD11 feature kinase domains N-terminal to their ACAD domains that phosphorylate the 4-OH position as a requisite step in the conversion of 4-hydroxyacyl-CoAs into 2-enoyl-CoAs-conventional FAO intermediates. Our ACAD11 cryo-EM structure and molecular modeling reveal a unique binding pocket capable of accommodating this phosphorylated intermediate. We further show that ACAD10 is mitochondrial and necessary for catabolizing shorter-chain 4-HAs, whereas ACAD11 is peroxisomal and enables longer-chain 4-HA catabolism. Mice lacking ACAD11 accumulate 4-HAs in their plasma while comparable 3- and 5-hydroxy acids remain unchanged. Collectively, this work defines ACAD10 and ACAD11 as the primary gatekeepers of mammalian 4-HA catabolism and sets the stage for broader investigations into the ramifications of aberrant 4-HA metabolism in human health and disease.