Transcription factors (TFs) and their specific interactions with targets are crucial for specifying gene-expression programs. To gain insights into the transcriptional regulatory networks in embryonic stem (ES) cells, we use chromatin immunoprecipitation coupled with ultra-high-throughput DNA sequencing (ChIP-seq) to map the locations of 13 sequence-specific TFs (Nanog, Oct4, STAT3, Smad1, Sox2, Zfx, c-Myc, n-Myc, Klf4, Esrrb, Tcfcp2l1, E2f1, and CTCF) and 2 transcription regulators (p300 and Suz12). These factors are known to play different roles in ES-cell biology as components of the LIF and BMP signaling pathways, self-renewal regulators, and key reprogramming factors. Our study provides insights into the integration of the signaling pathways into the ES-cell-specific transcription circuitries. Intriguingly, we find specific genomic regions extensively targeted by different TFs. Collectively, the comprehensive mapping of TF-binding sites identifies important features of the transcriptional regulatory networks that define ES-cell identity.

Genomes are organized into high-level three-dimensional structures, and DNA elements separated by long genomic distances can in principle interact functionally. Many transcription factors bind to regulatory DNA elements distant from gene promoters. Although distal binding sites have been shown to regulate transcription by long-range chromatin interactions at a few loci, chromatin interactions and their impact on transcription regulation have not been investigated in a genome-wide manner. Here we describe the development of a new strategy, chromatin interaction analysis by paired-end tag sequencing (ChIA-PET) for the de novo detection of global chromatin interactions, with which we have comprehensively mapped the chromatin interaction network bound by oestrogen receptor α (ER-α) in the human genome. We found that most high-confidence remote ER-α-binding sites are anchored at gene promoters through long-range chromatin interactions, suggesting that ER-α functions by extensive chromatin looping to bring genes together for coordinated transcriptional regulation. We propose that chromatin interactions constitute a primary mechanism for regulating transcription in mammalian genomes. Many transcription factors bind to regulatory DNA elements that are distant from gene promoters, and such distal binding sites are thought to regulate transcription through long-range chromatin interactions. In order to study how this remote control is organized in a complex genome, Fullwood et al. use a technique termed ChIA-PET (chromatin interaction analysis by paired-end tag sequencing) to detect and map the chromatin interaction network mediated by oestrogen receptor α (ER-α) in human cancer cells. In the resulting global chromatin interactome map, most high-confidence remote ER-α-binding sites are anchored at gene promoters through long-range chromatin interactions, suggesting that ER-α functions by extensive chromatin looping to bring genes together for coordinated transcriptional regulation. Many transcription factors bind to regulatory DNA elements that are distant from gene promoters. These distal binding sites are thought to regulate transcription through long-range chromatin interactions, but, until now, the impact of chromatin interactions on transcription regulation has not been investigated in a genome-wide manner. A new strategy — chromatin interaction analysis by paired-end tag sequencing — is now described for the de novo detection of global chromatin interactions.

Higher-order chromosomal organization for transcription regulation is poorly understood in eukaryotes. Using genome-wide Chromatin Interaction Analysis with Paired-End-Tag sequencing (ChIA-PET), we mapped long-range chromatin interactions associated with RNA polymerase II in human cells and uncovered widespread promoter-centered intragenic, extragenic, and intergenic interactions. These interactions further aggregated into higher-order clusters, wherein proximal and distal genes were engaged through promoter-promoter interactions. Most genes with promoter-promoter interactions were active and transcribed cooperatively, and some interacting promoters could influence each other implying combinatorial complexity of transcriptional controls. Comparative analyses of different cell lines showed that cell-specific chromatin interactions could provide structural frameworks for cell-specific transcription, and suggested significant enrichment of enhancer-promoter interactions for cell-specific functions. Furthermore, genetically-identified disease-associated noncoding elements were found to be spatially engaged with corresponding genes through long-range interactions. Overall, our study provides insights into transcription regulation by three-dimensional chromatin interactions for both housekeeping and cell-specific genes in human cells.

Epigenetic modifications are crucial for proper lineage specification and embryo development. To explore the chromatin modification landscapes in human ES cells, we profiled two histone modifications, H3K4me3 and H3K27me3, by ChIP coupled with the paired-end ditags sequencing strategy. H3K4me3 was found to be a prevalent mark and occurred in close proximity to the promoters of two-thirds of total human genes. Among the H3K27me3 loci identified, 56% are associated with promoters and the vast majority of them are comodified by H3K4me3. By deep-transcript digital counting, 80% of H3K4me3 and 36% of comodified promoters were found to be transcribed. Remarkably, we observed that different combinations of histone methylations are associated with genes from distinct functional categories. These global histone methylation maps provide an epigenetic framework that enables the discovery of novel transcriptional networks and delineation of different genetic compartments of the pluripotent cell genome.

The protooncogene MYC encodes the c-Myc transcription factor that regulates cell growth, cell proliferation, cell cycle, and apoptosis. Although deregulation of MYC contributes to tumorigenesis, it is still unclear what direct Myc-induced transcriptomes promote cell transformation. Here we provide a snapshot of genome-wide, unbiased characterization of direct Myc binding targets in a model of human B lymphoid tumor using ChIP coupled with pair-end ditag sequencing analysis (ChIP-PET). Myc potentially occupies >4,000 genomic loci with the majority near proximal promoter regions associated frequently with CpG islands. Using gene expression profiles with ChIP-PET, we identified 668 direct Myc-regulated gene targets, including 48 transcription factors, indicating that Myc is a central transcriptional hub in growth and proliferation control. This first global genomic view of Myc binding sites yields insights of transcriptional circuitries and cis regulatory modules involving Myc and provides a substantial framework for our understanding of mechanisms of Myc-induced tumorigenesis.

Somatic cells can be reprogrammed to induced pluripotent stem cells (iPSCs) with the introduction of Oct4, Sox2, Klf4, and c-Myc. Among these four factors, Oct4 is critical in inducing pluripotency because no transcription factor can substitute for Oct4, whereas Sox2, Klf4, and c-Myc can be replaced by other factors. Here we show that the orphan nuclear receptor Nr5a2 (also known as Lrh-1) can replace Oct4 in the derivation of iPSCs from mouse somatic cells, and it can also enhance reprogramming efficiency. Sumoylation mutants of Nr5a2 with enhanced transcriptional activity can further increase reprogramming efficiency. Genome-wide location analysis reveals that Nr5a2 shares many common gene targets with Sox2 and Klf4, which suggests that the transcription factor trio works in concert to mediate reprogramming. We also show that Nr5a2 works in part through activating Nanog. Together, we show that unrelated transcription factors can replace Oct4 and uncovers an exogenous Oct4-free reprogramming code.

While much attention has been given to the study of different genetic and chemical methods for the generation of iPS (induced pluripotent stem) cell lines, relatively little is known about the variability in overall quality of iPS cells. This paper identifies a transcription factor, Tbx3, that significantly improves the quality of iPS cells. Tbx3 also accelerates the reprogramming process of mouse embryonic fibroblasts into iPS cells and significantly improves the germ-line transmission of iPS-derived germ cells in chimaeric animals. The transcription factor Tbx3 is shown to significantly improve the quality of induced pluripotent stem (iPS) cells. Tbx3 binding sites in embryonic stem cells are present in genes involved in pluripotency and reprogramming factors. Furthermore, there are intrinsic qualitative differences in iPS cells generated by different methods in terms of their pluripotency, thus highlighting the need to rigorously characterize iPS cells beyond in vitro studies. Induced pluripotent stem (iPS) cells can be obtained by the introduction of defined factors into somatic cells1. The combination of Oct4 (also known as Pou5f1), Sox2 and Klf4 (which we term OSK) constitutes the minimal requirement for generating iPS cells from mouse embryonic fibroblasts. These cells are thought to resemble embryonic stem cells (ESCs) on the basis of global gene expression analyses; however, few studies have tested the ability and efficiency of iPS cells to contribute to chimaerism, colonization of germ tissues, and most importantly, germ-line transmission and live birth from iPS cells produced by tetraploid complementation. Using genomic analyses of ESC genes that have roles in pluripotency and fusion-mediated somatic cell reprogramming, here we show that the transcription factor Tbx3 significantly improves the quality of iPS cells. iPS cells generated with OSK and Tbx3 (OSKT) are superior in both germ-cell contribution to the gonads and germ-line transmission frequency. However, global gene expression profiling could not distinguish between OSK and OSKT iPS cells. Genome-wide chromatin immunoprecipitation sequencing analysis of Tbx3-binding sites in ESCs suggests that Tbx3 regulates pluripotency-associated and reprogramming factors, in addition to sharing many common downstream regulatory targets with Oct4, Sox2, Nanog and Smad1. This study underscores the intrinsic qualitative differences between iPS cells generated by different methods, and highlights the need to rigorously characterize iPS cells beyond in vitro studies.

One of the fundamental tasks in bioinformatics involves searching for repeats, which are statistically heterogeneous segments within DNA sequences and complete genomes of microorganisms. Theoretical approaches to analyzing the complexity of macromolecule sequences (DNA, RNA, and proteins) were established prior to the availability of complete genomic sequences. These approaches have experienced a resurgence due to the proliferation of mass parallel sequencing technologies and the exponential growth of accessible data. This article explores contemporary computer methods and existing programs designed to assess DNA text complexity as well as construct profiles of properties for analysing the genomic structures of microorganisms. The article offers a comprehensive overview of available online programs designed for detecting and visualising repeats within genetic text. Furthermore, the paper introduces a novel computer-based implementation of a method to evaluate the linguistic complexity of text and its compression using Lempel-Ziv. This approach aims to identify structural features and anomalies within the genomes of microorganisms. The article also provides examples of profiles generated through the analysis of text complexity. Application of these complexity estimates in the analysis of genome sequences, such as those of the SARS-CoV-2 coronavirus and the Mumps Orthorubulavirus, is discussed. Specific areas of low complexity within the genetic text have been successfully identified in this research.