Gene expression profiling has uncovered the transcription factor Sox4 with upregulated activity during TGF-β-induced epithelial-mesenchymal transition (EMT) in normal and cancerous breast epithelial cells. Sox4 is indispensable for EMT and cell survival in vitro and for primary tumor growth and metastasis in vivo. Among several EMT-relevant genes, Sox4 directly regulates the expression of Ezh2, encoding the Polycomb group histone methyltransferase that trimethylates histone 3 lysine 27 (H3K27me3) for gene repression. Ablation of Ezh2 expression prevents EMT, whereas forced expression of Ezh2 restores EMT in Sox4-deficient cells. Ezh2-mediated H3K27me3 marks associate with key EMT genes, representing an epigenetic EMT signature that predicts patient survival. Our results identify Sox4 as a master regulator of EMT by governing the expression of the epigenetic modifier Ezh2.

The FANTOM4 study identified transcriptional start sites active during proliferation arrest and differentiation of the human monocytic cell line THP-1. Systematic knockdown of 52 transcription factors provide support for their model in which a complex transcriptional network regulates the differentiation process. Using deep sequencing (deepCAGE), the FANTOM4 study measured the genome-wide dynamics of transcription-start-site usage in the human monocytic cell line THP-1 throughout a time course of growth arrest and differentiation. Modeling the expression dynamics in terms of predicted cis-regulatory sites, we identified the key transcription regulators, their time-dependent activities and target genes. Systematic siRNA knockdown of 52 transcription factors confirmed the roles of individual factors in the regulatory network. Our results indicate that cellular states are constrained by complex networks involving both positive and negative regulatory interactions among substantial numbers of transcription factors and that no single transcription factor is both necessary and sufficient to drive the differentiation process.

Accurate reconstruction of the regulatory networks that control gene expression is one of the key current challenges in molecular biology. Although gene expression and chromatin state dynamics are ultimately encoded by constellations of binding sites recognized by regulators such as transcriptions factors (TFs) and microRNAs (miRNAs), our understanding of this regulatory code and its context-dependent read-out remains very limited. Given that there are thousands of potential regulators in mammals, it is not practical to use direct experimentation to identify which of these play a key role for a particular system of interest. We developed a methodology that models gene expression or chromatin modifications in terms of genome-wide predictions of regulatory sites and completely automated it into a web-based tool called ISMARA ( I ntegrated S ystem for M otif A ctivity R esponse A nalysis). Given only gene expression or chromatin state data across a set of samples as input, ISMARA identifies the key TFs and miRNAs driving expression/chromatin changes and makes detailed predictions regarding their regulatory roles. These include predicted activities of the regulators across the samples, their genome-wide targets, enriched gene categories among the targets, and direct interactions between the regulators. Applying ISMARA to data sets from well-studied systems, we show that it consistently identifies known key regulators ab initio. We also present a number of novel predictions including regulatory interactions in innate immunity, a master regulator of mucociliary differentiation, TFs consistently disregulated in cancer, and TFs that mediate specific chromatin modifications.

In obesity, white adipose tissue (WAT) inflammation is linked to insulin resistance. Increased adipocyte chemokine (C-C motif) ligand 2 (CCL2) secretion may initiate adipose inflammation by attracting the migration of inflammatory cells into the tissue. Using an unbiased approach, we identified adipose microRNAs (miRNAs) that are dysregulated in human obesity and assessed their possible role in controlling CCL2 production. In subcutaneous WAT obtained from 56 subjects, 11 miRNAs were present in all subjects and downregulated in obesity. Of these, 10 affected adipocyte CCL2 secretion in vitro and for 2 miRNAs (miR-126 and miR-193b), regulatory circuits were defined. While miR-126 bound directly to the 3′-untranslated region of CCL2 mRNA, miR-193b regulated CCL2 production indirectly through a network of transcription factors, many of which have been identified in other inflammatory conditions. In addition, overexpression of miR-193b and miR-126 in a human monocyte/macrophage cell line attenuated CCL2 production. The levels of the two miRNAs in subcutaneous WAT were significantly associated with CCL2 secretion (miR-193b) and expression of integrin, α-X, an inflammatory macrophage marker (miR-193b and miR-126). Taken together, our data suggest that miRNAs may be important regulators of adipose inflammation through their effects on CCL2 release from human adipocytes and macrophages.

The loss of HBII-52 and related C/D box small nucleolar RNA (snoRNA) expression units have been implicated as a cause for the Prader–Willi syndrome (PWS). We recently found that the C/D box snoRNA HBII-52 changes the alternative splicing of the serotonin receptor 2C pre-mRNA, which is different from the traditional C/D box snoRNA function in non-mRNA methylation. Using bioinformatic predictions and experimental verification, we identified five pre-mRNAs (DPM2, TAF1, RALGPS1, PBRM1 and CRHR1) containing alternative exons that are regulated by MBII-52, the mouse homolog of HBII-52. Analysis of a single member of the MBII-52 cluster of snoRNAs by RNase protection and northern blot analysis shows that the MBII-52 expressing unit generates shorter RNAs that originate from the full-length MBII-52 snoRNA through additional processing steps. These novel RNAs associate with hnRNPs and not with proteins associated with canonical C/D box snoRNAs. Our data indicate that not a traditional C/D box snoRNA MBII-52, but a processed version lacking the snoRNA stem is the predominant MBII-52 RNA missing in PWS. This processed snoRNA functions in alternative splice-site selection. Its substitution could be a therapeutic principle for PWS.

Vertebrates have greatly elaborated the basic chordate body plan and evolved highly distinctive genomes that have been sculpted by two whole-genome duplications. Here we sequence the genome of the Mediterranean amphioxus (Branchiostoma lanceolatum) and characterize DNA methylation, chromatin accessibility, histone modifications and transcriptomes across multiple developmental stages and adult tissues to investigate the evolution of the regulation of the chordate genome. Comparisons with vertebrates identify an intermediate stage in the evolution of differentially methylated enhancers, and a high conservation of gene expression and its cis-regulatory logic between amphioxus and vertebrates that occurs maximally at an earlier mid-embryonic phylotypic period. We analyse regulatory evolution after whole-genome duplications, and find that—in vertebrates—over 80% of broadly expressed gene families with multiple paralogues derived from whole-genome duplications have members that restricted their ancestral expression, and underwent specialization rather than subfunctionalization. Counter-intuitively, paralogues that restricted their expression increased the complexity of their regulatory landscapes. These data pave the way for a better understanding of the regulatory principles that underlie key vertebrate innovations. Genomic, epigenomic and transcriptomic data derived from the Mediterranean amphioxus (Branchiostoma lanceolatum) provide insights into the evolution of the genomic regulatory landscape of chordates.

Abstract Zebrafish, a popular model for embryonic development and for modelling human diseases, has so far lacked a systematic functional annotation programme akin to those in other animal models. To address this, we formed the international DANIO-CODE consortium and created the first central repository to store and process zebrafish developmental functional genomic data. Our Data Coordination Center ( https://danio-code.zfin.org ) combines a total of 1,802 sets of unpublished and reanalysed published genomics data, which we used to improve existing annotations and show its utility in experimental design. We identified over 140,000 cis-regulatory elements in development, including novel classes with distinct features dependent on their activity in time and space. We delineated the distinction between regulatory elements active during zygotic genome activation and those active during organogenesis, identifying new aspects of how they relate to each other. Finally, we matched regulatory elements and epigenomic landscapes between zebrafish and mouse and predict functional relationships between them beyond sequence similarity, extending the utility of zebrafish developmental genomics to mammals.

Abstract Retinoic acid (RA) is a key signal for the specification of the pancreas. Still, the gene regulatory cascade triggered by RA in the endoderm remains poorly characterized. In this study, we investigated this regulatory network in zebrafish by combining RNA-seq, RAR ChIP-seq and ATAC-seq assays. By analysing the effect of RA and of the RA receptor (RAR) antagonist BMS439 on the transcriptome and on the chromatin accessibility of endodermal cells, we identified a large set of genes and regulatory regions regulated by RA signalling. RAR ChIP-seq further defined the direct RAR target genes including the known hox genes as well as several pancreatic regulators like mnx1, insm1b, hnf1ba and gata6 . Comparison of our zebrafish data with available murine RAR ChIP-seq data highlighted conserved direct target genes and revealed that some RAR sites are under strong evolutionary constraints. Among them, a novel highly conserved RAR-induced enhancer was identified downstream of the HoxB locus and driving expression in the nervous system and in the gut in a RA-dependant manner. Finally, ATAC-seq data unveiled the role of the RAR-direct targets Hnf1ba and Gata6 in opening chromatin at many regulatory loci upon RA treatment. Summary statement Combination of RNA-seq, ChIP-seq and ATAC-seq assays identifies genes directly and indirectly regulated by RA signalling in zebrafish endoderm. Comparison with murine data highlights RAR binding sites conserved among vertebrates.