Transcriptional responses to hypoxia are primarily mediated by hypoxia-inducible factor (HIF), a heterodimer of HIF-α and the aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator subunits. The HIF-1α and HIF-2α subunits are structurally similar in their DNA binding and dimerization domains but differ in their transactivation domains, implying they may have unique target genes. Previous studies using Hif-1α−/− embryonic stem and mouse embryonic fibroblast cells show that loss of HIF-1α eliminates all oxygen-regulated transcriptional responses analyzed, suggesting that HIF-2α is dispensable for hypoxic gene regulation. In contrast, HIF-2α has been shown to regulate some hypoxia-inducible genes in transient transfection assays and during embryonic development in the lung and other tissues. To address this discrepancy, and to identify specific HIF-2α target genes, we used DNA microarray analysis to evaluate hypoxic gene induction in cells expressing HIF-2α but not HIF-1α. In addition, we engineered HEK293 cells to express stabilized forms of HIF-1α or HIF-2α via a tetracycline-regulated promoter. In this first comparative study of HIF-1α and HIF-2α target genes, we demonstrate that HIF-2α does regulate a variety of broadly expressed hypoxia-inducible genes, suggesting that its function is not restricted, as initially thought, to endothelial cell-specific gene expression. Importantly, HIF-1α (and not HIF-2α) stimulates glycolytic gene expression in both types of cells, clearly showing for the first time that HIF-1α and HIF-2α have unique targets.

A gel electrophoresis DNA binding assay has been used to identify proteins in HeLa cell extracts that specifically bind to the major late promoter of adenovirus. A major late promoter transcription factor MLTF has been detected as a discrete protein-DNA complex. MLTF binds specifically and with high affinity to sequences upstream of the TATA box of the major late promoter. This factor protects a 17 bp (-50 to -66) region in a DNAase I footprinting assay. The same region has been shown to be important for efficient transcription from the major late promoter both in vivo and in vitro. MLTF stimulates in vitro transcription only from a template containing this upstream region. The binding, footprinting, and transcription-stimulatory activities of MLTF cofractionate through two chromatographic steps. These results suggest that direct binding of MLTF to an upstream element activates transcription from the major late promoter.

We have characterized three distinct proteins present in HeLa cell extracts that specifically recognize different subsets of transcriptional elements containing the pentanucleotide sequence CCAAT. One of these CCAAT-binding proteins, CP1, binds with high affinity to CCAAT elements present in the human alpha-globin promoter and the adenovirus major late promoter (MLP). A second protein, CP2, binds with high affinity to a CCAAT element present in the rat gamma-fibrinogen promoter. Finally, the third CCAAT-binding protein is nuclear factor I (NF-I), a cellular DNA-binding protein that binds to the adenovirus origin of replication and is required for the initiation of adenoviral replication. CP1, CP2, and NF-I are distinct activities in that each binds to its own recognition site with an affinity that is at least three orders of magnitude higher than that with which it binds to the recognition sites of the other two proteins. Surprisingly, CP1, CP2, and NF-I each appear to recognize their binding site with highest affinity as a multisubunit complex composed of heterologous subunits. In the case of CP1, two different types of subunits form a stable complex in the absence of a DNA-binding site. Moreover, both subunits are present in the CP1-DNA complex. We thus propose the existence of a family of related multisubunit CCAAT-binding proteins that are composed of heterologous subunits.

Breast cancer recurrence is a fundamental clinical manifestation of tumor progression and represents the principal cause of death from this disease. Using a conditional transgenic mouse model for the recurrence of HER2/neu-induced mammary tumors, we demonstrate that the transcriptional repressor Snail is spontaneously upregulated in recurrent tumors in vivo and that recurrence is accompanied by epithelial-to-mesenchymal transition (EMT). Consistent with a causal role for Snail in these processes, we show that Snail is sufficient to induce EMT in primary tumor cells, that Snail is sufficient to promote mammary tumor recurrence in vivo, and that high levels of Snail predict decreased relapse-free survival in women with breast cancer. In aggregate, our observations strongly implicate Snail in the process of breast cancer recurrence.

Epithelial-mesenchymal transition (EMT) is a tightly regulated process that is critical for embryogenesis but is abnormally activated during cancer metastasis and recurrence. Here we show that a switch in CD44 alternative splicing is required for EMT. Using both in vitro and in vivo systems, we have demonstrated a shift in CD44 expression from variant isoforms (CD44v) to the standard isoform (CD44s) during EMT. This isoform switch to CD44s was essential for cells to undergo EMT and was required for the formation of breast tumors that display EMT characteristics in mice. Mechanistically, the splicing factor epithelial splicing regulatory protein 1 (ESRP1) controlled the CD44 isoform switch and was critical for regulating the EMT phenotype. Additionally, the CD44s isoform activated Akt signaling, providing a mechanistic link to a key pathway that drives EMT. Finally, CD44s expression was upregulated in high-grade human breast tumors and was correlated with the level of the mesenchymal marker N-cadherin in these tumors. Together, our data suggest that regulation of CD44 alternative splicing causally contributes to EMT and breast cancer progression.

Histone acetylation plays important roles in gene regulation, DNA replication, and the response to DNA damage, and it is frequently deregulated in tumors. We postulated that tumor cell histone acetylation levels are determined in part by changes in acetyl coenzyme A (acetyl-CoA) availability mediated by oncogenic metabolic reprogramming. Here, we demonstrate that acetyl-CoA is dynamically regulated by glucose availability in cancer cells and that the ratio of acetyl-CoA:coenzyme A within the nucleus modulates global histone acetylation levels. In vivo, expression of oncogenic Kras or Akt stimulates histone acetylation changes that precede tumor development. Furthermore, we show that Akt’s effects on histone acetylation are mediated through the metabolic enzyme ATP-citrate lyase and that pAkt(Ser473) levels correlate significantly with histone acetylation marks in human gliomas and prostate tumors. The data implicate acetyl-CoA metabolism as a key determinant of histone acetylation levels in cancer cells.

A simple approach has been developed for the unambiguous identification and purification of sequence-specific DNA-binding proteins solely on the basis of their ability to bind selectively to their target sequences. Four independent methods were used to identify the promoter-specific RNA polymerase II transcription factor MLTF as a 46-kilodalton (kDa) polypeptide. First, a 46-kDa protein was specifically cross-linked by UV irradiation to a body-labeled DNA fragment containing the MLTF binding site. Second, MLTF sedimented through glycerol gradients at a rate corresponding to a protein of native molecular weight 45,000 to 50,000. Third, a 46-kDa protein was specifically retained on a biotin-streptavidin matrix only when the DNA fragment coupled to the matrix contained the MLTF binding site. Finally, proteins from the most highly purified fraction which were eluted and renatured from the 44- to 48-kDa region of a sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel exhibited both binding and transcription-stimulatory activities. The DNA-binding activity was purified 100,000-fold by chromatography through three conventional columns plus a DNA affinity column. Purified MLTF was characterized with respect to the kinetic and thermodynamic properties of DNA binding. These parameters indicate a high degree of occupancy of MLTF binding sites in vivo.