Summary

 Master transcription factors Oct4, Sox2, and Nanog bind enhancer elements and recruit Mediator to activate much of the gene expression program of pluripotent embryonic stem cells (ESCs). We report here that the ESC master transcription factors form unusual enhancer domains at most genes that control the pluripotent state. These domains, which we call super-enhancers, consist of clusters of enhancers that are densely occupied by the master regulators and Mediator. Super-enhancers differ from typical enhancers in size, transcription factor density and content, ability to activate transcription, and sensitivity to perturbation. Reduced levels of Oct4 or Mediator cause preferential loss of expression of super-enhancer-associated genes relative to other genes, suggesting how changes in gene expression programs might be accomplished during development. In other more differentiated cells, super-enhancers containing cell-type-specific master transcription factors are also found at genes that define cell identity. Super-enhancers thus play key roles in the control of mammalian cell identity.

Super-enhancers are large clusters of transcriptional enhancers that drive expression of genes that define cell identity. Improved understanding of the roles that super-enhancers play in biology would be afforded by knowing the constellation of factors that constitute these domains and by identifying super-enhancers across the spectrum of human cell types. We describe here the population of transcription factors, cofactors, chromatin regulators, and transcription apparatus occupying super-enhancers in embryonic stem cells and evidence that super-enhancers are highly transcribed. We produce a catalog of super-enhancers in a broad range of human cell types and find that super-enhancers associate with genes that control and define the biology of these cells. Interestingly, disease-associated variation is especially enriched in the super-enhancers of disease-relevant cell types. Furthermore, we find that cancer cells generate super-enhancers at oncogenes and other genes important in tumor pathogenesis. Thus, super-enhancers play key roles in human cell identity in health and in disease.

Super-enhancers (SEs) are clusters of enhancers that cooperatively assemble a high density of the transcriptional apparatus to drive robust expression of genes with prominent roles in cell identity. Here we demonstrate that the SE-enriched transcriptional coactivators BRD4 and MED1 form nuclear puncta at SEs that exhibit properties of liquid-like condensates and are disrupted by chemicals that perturb condensates. The intrinsically disordered regions (IDRs) of BRD4 and MED1 can form phase-separated droplets, and MED1-IDR droplets can compartmentalize and concentrate the transcription apparatus from nuclear extracts. These results support the idea that coactivators form phase-separated condensates at SEs that compartmentalize and concentrate the transcription apparatus, suggest a role for coactivator IDRs in this process, and offer insights into mechanisms involved in the control of key cell-identity genes.

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.

The pluripotent state of embryonic stem cells (ESCs) is produced by active transcription of genes that control cell identity and repression of genes encoding lineage-specifying developmental regulators. Here, we use ESC cohesin ChIA-PET data to identify the local chromosomal structures at both active and repressed genes across the genome. The results produce a map of enhancer-promoter interactions and reveal that super-enhancer-driven genes generally occur within chromosome structures that are formed by the looping of two interacting CTCF sites co-occupied by cohesin. These looped structures form insulated neighborhoods whose integrity is important for proper expression of local genes. We also find that repressed genes encoding lineage-specifying developmental regulators occur within insulated neighborhoods. These results provide insights into the relationship between transcriptional control of cell identity genes and control of local chromosome structure.

Summary

 There is considerable evidence that chromosome structure plays important roles in gene control, but we have limited understanding of the proteins that contribute to structural interactions between gene promoters and their enhancer elements. Large DNA loops that encompass genes and their regulatory elements depend on CTCF-CTCF interactions, but most enhancer-promoter interactions do not employ this structural protein. Here, we show that the ubiquitously expressed transcription factor Yin Yang 1 (YY1) contributes to enhancer-promoter structural interactions in a manner analogous to DNA interactions mediated by CTCF. YY1 binds to active enhancers and promoter-proximal elements and forms dimers that facilitate the interaction of these DNA elements. Deletion of YY1 binding sites or depletion of YY1 protein disrupts enhancer-promoter looping and gene expression. We propose that YY1-mediated enhancer-promoter interactions are a general feature of mammalian gene control.

Here, a covalent inhibitor targeting cyclin-dependent kinase 7 (CDK7) demonstrates in vitro and in vivo efficacy against T-cell acute lymphoblastic leukaemia by downregulating oncogenic transcriptional programs. Pharmacological blockade of transcription is a possible means of targeting cancer cells. Direct pharmacological inhibition of transcription factors has proved problematic, so cyclin-dependent kinase (CDK) family members such as CDK7, which regulate transcription by phosphorylating the carboxy-terminal domain of RNA polymerase II, could provide more druggable targets. Here Nathanael Gray and colleagues use a cell-based screen to identify a novel transcriptional inhibitor, THZ1, that covalently targets CDK7 and has anti-proliferative activity in human T-cell acute lymphoblastic leukaemia cell lines and in a xenograft mouse model. THZ1 is a phenylaminopyrimidine that uses a mechanism combining ATP-site and allosteric covalent binding as a means of attaining potency and selectivity for CDK7. Tumour oncogenes include transcription factors that co-opt the general transcriptional machinery to sustain the oncogenic state1, but direct pharmacological inhibition of transcription factors has so far proven difficult2. However, the transcriptional machinery contains various enzymatic cofactors that can be targeted for the development of new therapeutic candidates3, including cyclin-dependent kinases (CDKs)4. Here we present the discovery and characterization of a covalent CDK7 inhibitor, THZ1, which has the unprecedented ability to target a remote cysteine residue located outside of the canonical kinase domain, providing an unanticipated means of achieving selectivity for CDK7. Cancer cell-line profiling indicates that a subset of cancer cell lines, including human T-cell acute lymphoblastic leukaemia (T-ALL), have exceptional sensitivity to THZ1. Genome-wide analysis in Jurkat T-ALL cells shows that THZ1 disproportionally affects transcription of RUNX1 and suggests that sensitivity to THZ1 may be due to vulnerability conferred by the RUNX1 super-enhancer and the key role of RUNX1 in the core transcriptional regulatory circuitry of these tumour cells. Pharmacological modulation of CDK7 kinase activity may thus provide an approach to identify and treat tumour types that are dependent on transcription for maintenance of the oncogenic state.

In certain human cancers, the expression of critical oncogenes is driven from large regulatory elements, called super-enhancers, that recruit much of the cell’s transcriptional apparatus and are defined by extensive acetylation of histone H3 lysine 27 (H3K27ac). In a subset of T-cell acute lymphoblastic leukemia (T-ALL) cases, we found that heterozygous somatic mutations are acquired that introduce binding motifs for the MYB transcription factor in a precise noncoding site, which creates a super-enhancer upstream of the TAL1 oncogene. MYB binds to this new site and recruits its H3K27 acetylase–binding partner CBP, as well as core components of a major leukemogenic transcriptional complex that contains RUNX1, GATA-3, and TAL1 itself. Additionally, most endogenous super-enhancers found in T-ALL cells are occupied by MYB and CBP, which suggests a general role for MYB in super-enhancer initiation. Thus, this study identifies a genetic mechanism responsible for the generation of oncogenic super-enhancers in malignant cells.

The MYC oncoproteins are thought to stimulate tumor cell growth and proliferation through amplification of gene transcription, a mechanism that has thwarted most efforts to inhibit MYC function as potential cancer therapy. Using a covalent inhibitor of cyclin-dependent kinase 7 (CDK7) to disrupt the transcription of amplified MYCN in neuroblastoma cells, we demonstrate downregulation of the oncoprotein with consequent massive suppression of MYCN-driven global transcriptional amplification. This response translated to significant tumor regression in a mouse model of high-risk neuroblastoma, without the introduction of systemic toxicity. The striking treatment selectivity of MYCN-overexpressing cells correlated with preferential downregulation of super-enhancer-associated genes, including MYCN and other known oncogenic drivers in neuroblastoma. These results indicate that CDK7 inhibition, by selectively targeting the mechanisms that promote global transcriptional amplification in tumor cells, may be useful therapy for cancers that are driven by MYC family oncoproteins.

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.