The transcription factors OCT4, SOX2, and NANOG have essential roles in early development and are required for the propagation of undifferentiated embryonic stem (ES) cells in culture. To gain insights into transcriptional regulation of human ES cells, we have identified OCT4, SOX2, and NANOG target genes using genome-scale location analysis. We found, surprisingly, that OCT4, SOX2, and NANOG co-occupy a substantial portion of their target genes. These target genes frequently encode transcription factors, many of which are developmentally important homeodomain proteins. Our data also indicate that OCT4, SOX2, and NANOG collaborate to form regulatory circuitry consisting of autoregulatory and feedforward loops. These results provide new insights into the transcriptional regulation of stem cells and reveal how OCT4, SOX2, and NANOG contribute to pluripotency and self-renewal.

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.

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.

Summary

 Chromatin regulators have become attractive targets for cancer therapy, but it is unclear why inhibition of these ubiquitous regulators should have gene-specific effects in tumor cells. Here, we investigate how inhibition of the widely expressed transcriptional coactivator BRD4 leads to selective inhibition of the MYC oncogene in multiple myeloma (MM). BRD4 and Mediator were found to co-occupy thousands of enhancers associated with active genes. They also co-occupied a small set of exceptionally large super-enhancers associated with genes that feature prominently in MM biology, including the MYC oncogene. Treatment of MM tumor cells with the BET-bromodomain inhibitor JQ1 led to preferential loss of BRD4 at super-enhancers and consequent transcription elongation defects that preferentially impacted genes with super-enhancers, including MYC. Super-enhancers were found at key oncogenic drivers in many other tumor cells. These observations have implications for the discovery of cancer therapeutics directed at components of super-enhancers in diverse tumor types.

Polycomb group proteins are essential for early development in metazoans, but their contributions to human development are not well understood. We have mapped the Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2) subunit SUZ12 across the entire nonrepeat portion of the genome in human embryonic stem (ES) cells. We found that SUZ12 is distributed across large portions of over two hundred genes encoding key developmental regulators. These genes are occupied by nucleosomes trimethylated at histone H3K27, are transcriptionally repressed, and contain some of the most highly conserved noncoding elements in the genome. We found that PRC2 target genes are preferentially activated during ES cell differentiation and that the ES cell regulators OCT4, SOX2, and NANOG cooccupy a significant subset of these genes. These results indicate that PRC2 occupies a special set of developmental genes in ES cells that must be repressed to maintain pluripotency and that are poised for activation during ES cell differentiation.

DNA-binding transcriptional regulators interpret the genome's regulatory code by binding to specific sequences to induce or repress gene expression1. Comparative genomics has recently been used to identify potential cis-regulatory sequences within the yeast genome on the basis of phylogenetic conservation2,3,4,5,6, but this information alone does not reveal if or when transcriptional regulators occupy these binding sites. We have constructed an initial map of yeast's transcriptional regulatory code by identifying the sequence elements that are bound by regulators under various conditions and that are conserved among Saccharomyces species. The organization of regulatory elements in promoters and the environment-dependent use of these elements by regulators are discussed. We find that environment-specific use of regulatory elements predicts mechanistic models for the function of a large population of yeast's transcriptional regulators.

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.

Genome-wide expression analysis was used to identify genes whose expression depends on the functions of key components of the transcription initiation machinery in yeast. Components of the RNA polymerase II holoenzyme, the general transcription factor TFIID, and the SAGA chromatin modification complex were found to have roles in expression of distinct sets of genes. The results reveal an unanticipated level of regulation which is superimposed on that due to gene-specific transcription factors, a novel mechanism for coordinate regulation of specific sets of genes when cells encounter limiting nutrients, and evidence that the ultimate targets of signal transduction pathways can be identified within the initiation apparatus.

Eukaryotic genomes are packaged into nucleosomes whose position and chemical modification state can profoundly influence regulation of gene expression. We profiled nucleosome modifications across the yeast genome using chromatin immunoprecipitation coupled with DNA microarrays to produce high-resolution genome-wide maps of histone acetylation and methylation. These maps take into account changes in nucleosome occupancy at actively transcribed genes and, in doing so, revise previous assessments of the modifications associated with gene expression. Both acetylation and methylation of histones are associated with transcriptional activity, but the former occurs predominantly at the beginning of genes, whereas the latter can occur throughout transcribed regions. Most notably, specific methylation events are associated with the beginning, middle, and end of actively transcribed genes. These maps provide the foundation for further understanding the roles of chromatin in gene expression and genome maintenance.