Members of transcription factor families typically have similar DNA binding specificities yet execute unique functions in vivo. Transcription factors often bind DNA as multiprotein complexes, raising the possibility that complex formation might modify their DNA binding specificities. To test this hypothesis, we developed an experimental and computational platform, SELEX-seq, that can be used to determine the relative affinities to any DNA sequence for any transcription factor complex. Applying this method to all eight Drosophila Hox proteins, we show that they obtain novel recognition properties when they bind DNA with the dimeric cofactor Extradenticle-Homothorax (Exd). Exd-Hox specificities group into three main classes that obey Hox gene collinearity rules and DNA structure predictions suggest that anterior and posterior Hox proteins prefer DNA sequences with distinct minor groove topographies. Together, these data suggest that emergent DNA recognition properties revealed by interactions with cofactors contribute to transcription factor specificities in vivo.

DNA sequence is a major determinant of the binding specificity of transcription factors (TFs) for their genomic targets. However, eukaryotic cells often express, at the same time, TFs with highly similar DNA binding motifs but distinct in vivo targets. Currently, it is not well understood how TFs with seemingly identical DNA motifs achieve unique specificities in vivo. Here, we used custom protein-binding microarrays to analyze TF specificity for putative binding sites in their genomic sequence context. Using yeast TFs Cbf1 and Tye7 as our case studies, we found that binding sites of these bHLH TFs (i.e., E-boxes) are bound differently in vitro and in vivo, depending on their genomic context. Computational analyses suggest that nucleotides outside E-box binding sites contribute to specificity by influencing the three-dimensional structure of DNA binding sites. Thus, the local shape of target sites might play a widespread role in achieving regulatory specificity within TF families.

We present a method and web server for predicting DNA structural features in a high-throughput (HT) manner for massive sequence data. This approach provides the framework for the integration of DNA sequence and shape analyses in genome-wide studies. The HT methodology uses a sliding-window approach to mine DNA structural information obtained from Monte Carlo simulations. It requires only nucleotide sequence as input and instantly predicts multiple structural features of DNA (minor groove width, roll, propeller twist and helix twist). The results of rigorous validations of the HT predictions based on DNA structures solved by X-ray crystallography and NMR spectroscopy, hydroxyl radical cleavage data, statistical analysis and cross-validation, and molecular dynamics simulations provide strong confidence in this approach. The DNAshape web server is freely available at http://rohslab.cmb.usc.edu/DNAshape/.

Abstract The long non-coding RNA Xist exploits numerous effector proteins to progressively induce gene silencing across the X chromosome and form the inactive X (Xi)-compartment. The mechanism underlying formation of the chromosome-wide Xi-compartment is poorly understood. Here, we find that formation of the Xi-compartment is induced by ∼50 locally confined granules, where two Xist RNA molecules nucleate s upra- m olecular c omplexes (SMCs) of interacting proteins. Xist-SMCs are transient structures that concentrate rapidly recycling proteins in the X by increasing protein binding affinity. We find that gene silencing originates at Xist-SMCs and propagates across the entire chromosome over time, achieved by Polycomb-mediated coalescence of chromatin regions and aggregation, via its intrinsically disordered domains, of the critical silencing factor SPEN. Our results suggest a new model for X chromosome inactivation, in which Xist RNA induces macromolecular crowding of heterochromatinizing proteins near distinct sites which ultimately increases their density throughout the chromosome. This mechanism enables deterministic gene silencing without the need for Xist ribonucleoprotein complex-chromatin interactions at each target gene.

Ectopic expression of lineage master regulators induces transdifferentiation. Whether cell fate transitions can be induced during various developmental stages has never been systemically examined. Here we discovered that amongst different developmental stages, embryonic stem cells (ESCs) were resistant to cell fate conversion induced by the melanocyte lineage master regulator MITF. We generated a transgenic system and found that in ESCs, the pluripotency master regulator, OCT4, counteracts prodifferentiation induced by MITF by physical interference with MITF transcriptional activity. We further found that ESCs must be released from OCT4-maintained pluripotency prior to ectopically induced differentiation. Moreover, OCT4 induction in various differentiated cells repressed their lineage identity in vivo. Alongside, chromatin architecture combined with ChIP-seq analysis suggested that OCT4 competes with various lineage master regulators for binding promoters and enhancers. Our analysis reveals pluripotency and transdifferentiation regulatory principles and could open new opportunities in the field of regenerative medicine.