We have combined genome-wide transcription factor binding and expression profiling to assemble a regulatory network controlling the myogenic differentiation program in mammalian cells. We identified a cadre of overlapping and distinct targets of the key myogenic regulatory factors (MRFs)—MyoD and myogenin—and Myocyte Enhancer Factor 2 (MEF2). We discovered that MRFs and MEF2 regulate a remarkably extensive array of transcription factor genes that propagate and amplify the signals initiated by MRFs. We found that MRFs play an unexpectedly wide-ranging role in directing the assembly and usage of the neuromuscular junction. Interestingly, these factors also prepare myoblasts to respond to diverse types of stress. Computational analyses identified novel combinations of factors that, depending on the differentiation state, might collaborate with MRFs. Our studies suggest unanticipated biological insights into muscle development and highlight new directions for further studies of genes involved in muscle repair and responses to stress and damage.

Abstract Eukaryotic genomes are packaged into chromatin, and the extent of its compaction must be modulated to allow several biological processes such as gene transcription. The regulatory elements of expressed genes are typically in relatively accessible chromatin, and several studies have revealed a reliable correlation between the abundance of mRNA transcripts and the degree of DNA accessibility at the regulatory elements of their coding genes. In consequence, the genome-wide profiling of DNA accessibility by methods such as ATAC-seq can help in the study of gene regulatory networks by serving as a proxy for gene expression and by helping identify important gene cis-regulatory elements and the trans-acting factors that bind them. The predominant approach used to identify differentially accessible genomic loci from ATAC-seq data obtained in two conditions of interest is comparable to that employed in RNA-seq gene expression profiling studies: accessible regions are identified through peak calling and treated like “genes”, then sequenced DNA fragments (originating from two neighboring transposase insertion events) that overlap them are counted and subjected to abundance modeling, which then allows to identify those that have a significant difference between the two conditions. We reasoned that this approach could be improved in terms of sensitivity and resolution by introducing two changes: bypassing peak calling, using instead a genome-wide sliding window quantification approach, and counting transposase insertion sites, instead of fragments originating from two neighboring insertion sites. We present the development of this approach, which we term “widaR”, for Window- and Insertion-based Differential Accessibility in R, using a murine skeletal myoblast differentiation dataset. Reproducible R code is provided.

Necrosome activation following TLR- or cytokine receptor-signaling results in cell death by necroptosis which is characterized by the rupture of cell membranes and the consequent release of intracellular contents to the extracellular milieu. While necroptosis exacerbates various inflammatory diseases, the mechanisms through which the inflammatory responses are regulated are not clear. We show that the necrosome activation of macrophages results in an upregulation of various pathways, including the mitogen-activated protein kinase (MAPK) cascade, which results in an elevation of the inflammatory response and consequent expression of several cytokines and chemokines. Programming for this upregulation of inflammatory response occurs during the early phase of necrosome activation and proceeds independently of cell death but depends on the activation of the receptor-interacting protein kinase-1 (RipK1). Interestingly, necrosome activation also results in an upregulation of IFNβ, which in turn exerts an inhibitory effect on the maintenance of inflammatory response through the repression of MAPK-signaling and an upregulation of Zfp36. Activation of the interferon-induced gene factor-3 (ISGF3) results in the expression of ZFP36 (TTP), which induces the post-transcriptional degradation of mRNAs of various inflammatory cytokines and chemokines through the recognition of AU-rich elements in their 3'UTR. Furthermore, ZFP-36 inhibits IFNβ-, but not TNFα- induced necroptosis. Overall, these results reveal the molecular mechanism through which IFNβ, a pro-inflammatory cytokine, induces the expression of ZFP-36, which in turn inhibits necroptosis and halts the maintenance of the inflammatory response.

ABSTRACT BCL7 proteins are among the most recently identified subunits of the mammalian SWI/SNF (mSWI/SNF) chromatin remodeling complex and are absent from the unicellular version of the complex. Mutations in BCL7 proteins are associated with different kind of cancers including blood malignancies. The information on the molecular function and on the structure of BCL7 proteins is to date very limited. Here we report that BCL7 proteins directly bind the nucleosome core particle (NCP) and free DNA with high affinity. We demonstrate that BCL7 proteins form defined complexes with the NCP and we identify the conserved N-terminal part of BCL7 proteins as sufficient to nucleosome binding. We further characterize the impact of BCL7 protein mutations reported in cancer patients on NCP binding and show that the R11S driver mutation reduces the affinity for the nucleosome. Our findings clarify the molecular function of BCL7 proteins and help rationalize the impact of cancer-associated mutations.

Abstract The Six1 transcription factor is implicated in controlling the development of several tissue types, notably skeletal muscle. Six1 also contributes to muscle metabolism and its activity is associated with the fast-twitch, glycolytic phenotype. Six1 regulates the expression of certain genes of the fast muscle program by directly stimulating their transcription or indirectly acting through a long non-coding RNA. Under the hypothesis that additional mechanisms of action might be at play, a combined analysis of gene expression profiling and genome-wide location analysis data was performed. The Slc16a10 gene, encoding the thyroid hormone transmembrane transporter MCT10, was identified as a gene with a transcriptional enhancer directly bound by Six1 and requiring Six1 activity for full expression in adult mouse tibialis anterior, a predominantly fast-twitch muscle. Of the various thyroid hormone transporters, MCT10 mRNA was found to be the most abundant in skeletal muscle, and to have a stronger expression in fast-twitch compared to slow-twitch muscle groups. Loss-of-function of MCT10 in the tibialis anterior recapitulated the effect of Six1 on the expression of fast-twitch muscle genes and led to lower activity of a thyroid hormone receptor-dependent reporter gene. These results shed light on the molecular mechanisms controlling the tissue expression profile of MCT10 and identify modulation of the thyroid hormone signaling pathway as an additional mechanism by which Six1 influences skeletal muscle metabolism.

The genome-wide chromatin occupancy of the TCF/LEF factors and its modulation by Wnt pathway activation remain poorly defined. Here, we describe mouse ES cell (mESC) lines expressing a single copy knock-in of the 3xFLAG epitope at the N-terminus of TCF7L1 and TCF7, the two most-highly expressed TCF/LEF factors in mESCs. TCF7L1 protein levels, detected by immunoblotting with a FLAG antibody, were much higher than TCF7 in mESCs maintained in standard serum- and LIF-supplemented medium, even in the presence of the GSK-3 inhibitor, CHIR99021 (CHIR). We used FLAG antibody-mediated ChIP-seq to determine TCF7 and TCF7L1 chromatin occupancy in mESCs cultured in standard medium with or without CHIR for 14 hours. TCF7 and TCF7L1 displayed very few overlapping ChIP peaks across the genome, with TCF7L1 binding significantly more genes than TCF7 in both culture conditions. Despite a reduction in total TCF7L1 protein after CHIR treatment, the TCF7L1 ChIP peak profiles were not uniformly attenuated. Our data demonstrate that TCF7L1 chromatin occupancy upon short-term CHIR treatment is modulated in a target-specific manner. Our findings also suggest that Wnt target genes in mESCs are not regulated by TCF/LEF switching, and TCF7L1, although often called a constitutive repressor, may serve as a transcriptional activator of certain target genes in CHIR-treated mESCs.

Exercise training improves skeletal muscle function, notably through tissue regeneration by muscle stem cells. Here, we hypothesized that exercise training reprograms the epigenome of muscle cell, which could account for better muscle function. Genome-wide DNA methylation of myotube cultures established from middle-aged obese men before and after endurance exercise training identified a differentially methylated region (DMR) located downstream of Gremlin 1 (GREM1), which was associated with increased GREM1 expression. GREM1 expression was lower in muscle satellite cells from obese, compared to lean mice, and exercise training restored GREM1 levels to those of control animals. We show that GREM1 regulates muscle differentiation through the negative control of satellite cell self-renewal, and that GREM1 controls muscle lineage commitment and lipid oxidation through the AMPK pathway. Our study identifies novel functions of GREM1 and reveals an epigenetic mechanism by which exercise training reprograms muscle stem cells to improve skeletal muscle function.

ABSTRACT Tuberculosis, a deadly infectious lung disease caused by Mycobacterium tuberculosis (Mtb), remains the leading cause of bacterial disease-related deaths worldwide. The success of Mtb as a human pathogen depends on its ability to manipulate host immune response pathways, many of which are regulated by epigenetic mechanisms that control the accessibility of chromatin to the transcriptional machinery. Recent reports suggest that host phosphatases, such as PPM1A, may play a role in the regulation of chromatin accessibility during bacterial infections. However, changes in genome-wide chromatin accessibility during Mtb infection and whether PPM1A plays a role in this process remains unknown. Using combinatorial chromatin accessibility (ATAC-seq) and transcriptomics (RNA-seq) profiling of wild-type (WT), PPM1A knockout (ΔPPM1A) and PPM1A overexpressing (PPM1A + ) macrophages, we demonstrate that Mtb infection induces global chromatin remodeling consistent with changes in gene expression signatures. The strongest concordant chromatin accessibility and gene expression signature triggered by Mtb infection was enriched for genes involved in the type I interferon (IFN) signaling pathways. Modulation of PPM1A expression results in altered chromatin accessibility signatures during Mtb infection that are reflected in the total number, chromosome location and directionality of change. Transcription factor motif analysis revealed an enrichment for transcription factors involved in the type I IFN pathway during Mtb infection, including IRF4, MEF2A, and JDP2. In contrast, both deletion and overexpression of PPM1A produced unique transcription factor enrichment signatures linked to the genomic regions with altered chromatin accessibility. Our study demonstrates that altered type I IFN responses in Mtb-infected macrophages occurs as a result of genome-wide changes in chromatin accessibility, and that PPM1A likely plays a role in a subset of these signatures.