We describe a novel erythroid cell-specific cDNA (EKLF [erythroid Krüppel-like factor]) isolated by enriching for genes expressed in a mouse erythroleukemia cell line but not expressed in a mouse monocyte-macrophage cell line. The complete cDNA sequence is predicted to encode a protein of approximately 38,000 Da that contains a proline-rich amino domain and three TFIIIA-like zinc fingers within the carboxy domain. Additional sequence analyses reveal that the EKLF zinc fingers are most homologous to the Krüppel family of transcription factors and also allow us to predict potential DNA-binding target sites for the EKLF protein. On the basis of this prediction, we show that EKLF is able to bind the sequence CCA CAC CCT, an essential element of the beta-globin promoter. Its tissue distribution establishes that the EKLF transcript is expressed only in bone marrow and spleen, the two hematopoietic organs of the mouse, and analysis of murine cell lines indicates that EKLF expression is limited to erythroid and mast cell lines. Cotransfection assays establish that EKLF transcriptionally activates a target promoter that contains its DNA-binding site. The tissue expression pattern of EKLF, in conjunction with its function as a transcriptional activator, strongly suggests that the EKLF protein may be intimately involved in establishment and/or maintenance of the erythroid cell phenotype.

The discovery of interchromosomal interactions in higher eukaryotes points to a functional interplay between genome architecture and gene expression, challenging the view of transcription as a one-dimensional process. However, the extent of interchromosomal interactions and the underlying mechanisms are unknown. Here we present the first genome-wide analysis of transcriptional interactions using the mouse globin genes in erythroid tissues. Our results show that the active globin genes associate with hundreds of other transcribed genes, revealing extensive and preferential intra- and interchromosomal transcription interactomes. We show that the transcription factor Klf1 mediates preferential co-associations of Klf1-regulated genes at a limited number of specialized transcription factories. Our results establish a new gene expression paradigm, implying that active co-regulated genes and their regulatory factors cooperate to create specialized nuclear hot spots optimized for efficient and coordinated transcriptional control.

We describe a novel erythroid cell-specific cDNA (EKLF [erythroid Krüppel-like factor]) isolated by enriching for genes expressed in a mouse erythroleukemia cell line but not expressed in a mouse monocyte-macrophage cell line. The complete cDNA sequence is predicted to encode a protein of approximately 38,000 Da that contains a proline-rich amino domain and three TFIIIA-like zinc fingers within the carboxy domain. Additional sequence analyses reveal that the EKLF zinc fingers are most homologous to the Krüppel family of transcription factors and also allow us to predict potential DNA-binding target sites for the EKLF protein. On the basis of this prediction, we show that EKLF is able to bind the sequence CCA CAC CCT, an essential element of the beta-globin promoter. Its tissue distribution establishes that the EKLF transcript is expressed only in bone marrow and spleen, the two hematopoietic organs of the mouse, and analysis of murine cell lines indicates that EKLF expression is limited to erythroid and mast cell lines. Cotransfection assays establish that EKLF transcriptionally activates a target promoter that contains its DNA-binding site. The tissue expression pattern of EKLF, in conjunction with its function as a transcriptional activator, strongly suggests that the EKLF protein may be intimately involved in establishment and/or maintenance of the erythroid cell phenotype.

Abstract EKLF/KLF1 is an essential transcription factor that plays a global role in erythroid transcriptional activation. It’s own regulation is of interest, as it displays a highly restricted expression pattern, limited to erythroid cells and its progenitors. Here we use biochemical affinity purification to identify the Ddx5/p68 protein as an activator of KLF1 by virtue of its interaction with the erythroid-specific DNAse hypersensitive site upstream enhancer element (EHS1). We postulate that its range of interactions with other proteins known to interact with this element render it part of the enhanseosome complex critical for optimal expression of KLF1. These individual interactions provide quantitative contributions that, in sum, establish high level activity of the KLF1 promoter and suggest they can be selectively manipulated for clinical benefit.

Expression of the β-like globin genes is under strict developmental control, with both direct and indirect inputs responsible for this effect. One of the major players regulating their transition is KLF1/EKLF, where even a two-fold difference in its level alters the regulation of globin switching. We have reproduced this change in KLF1 expression in both cell lines and primary human cells, thus demonstrating that directed, quantitative control of KLF1 expression can be attained by genomic manipulation, and suggest a new way in which modulation of transcription factor levels may be used for clinical benefit.

Abstract Congenital dyserythropoietic anaemia (CDA) type IV has been associated with an amino acid substitution, Glu325Lys (E325K), in the transcription factor KLF1. These patients present with a range of symptoms, including the persistence of nucleated red blood cells (RBCs) in the peripheral blood which reflects the known role for KLF1 within the erythroid cell lineage. The final stages of RBCs maturation and enucleation take place within the erythroblastic island (EBI) niche in close association with EBI macrophages. It is not known whether the detrimental effects of the E325K mutation in KLF1 are restricted to the erythroid lineage or whether deficiencies in macrophages associated with their niche also contribute to the disease pathology. To address this question, we generated an in vitro model of the human EBI niche using induced pluripotent stem cells (iPSCs) derived from a CDA type IV patient as well as iPSCs genetically modified to express an KLF1-E325K-ER T2 protein that could be activated with 4OH-tamoxifen. CDA patient-derived iPSCs and iPSCs expressing the activated KLF1-E325K-ER T2 protein showed significant deficiencies in the production of erythroid cells with associated disruption of some known KLF1 target genes. Macrophages could be generated from all iPSC lines but when the E325K-ER T2 fusion protein was activated, we noted the generation of a slightly less mature macrophage population marked by CD93. A subtle reduction in their ability to support RBC maturation was also associated with macrophages carrying the E325K-ER T2 transgene. Taken together these data support the notion that the clinically significant effects of the KLF1-E325K mutation are primarily associated with deficiencies in the erythroid lineage but that deficiencies in the niche might have the potential to exacerbate the condition. The strategy we describe provides a powerful approach to assess the effects of other mutations in KLF1 as well as other factors associated with the EBI niche.

ABSTRACT Erythroblastic islands are a specialized niche that contain a central macrophage surrounded by erythroid cells at various stages of maturation. However, identifying the precise genetic and transcriptional control mechanisms in the island macrophage remains difficult due to macrophage heterogeneity. Using unbiased global sequencing and directed genetic approaches focused on early mammalian development, we find that fetal liver macrophage exhibit a unique expression signature that differentiates them from erythroid and adult macrophage cells. The importance of EKLF/KLF1 in this identity is shown by expression analyses in EKLF-/- and in EKLF-marked macrophage cells. Single cell sequence analysis simplifies heterogeneity and identifies clusters of genes important for EKLF-dependent macrophage function and novel cell surface biomarkers. Remarkably, this singular set of macrophage island cells appears transiently during embryogenesis. Together these studies provide a detailed perspective on the importance of EKLF in establishment of the dynamic gene expression network within erythroblastic islands in the developing embryo and provide the means for their efficient isolation.

Krüppel-like factor 1 (KLF1/EKLF) is a transcription factor that globally activates genes involved in erythroid cell development. Various mutations are identified in the human KLF1 gene. The E325K mutation causes congenital dyserythropoietic anemia (CDA) type IV, characterized by severe anemia and non-erythroid-related symptoms. The CDA mutation is in the second zinc finger of KLF1 at a position functionally involved in its interactions with DNA. The molecular parameters of how CDA-KLF1 exerts its biological effects have not been addressed. Here, using an in vitro selection strategy we determined the preferred DNA-binding site for CDA-KLF1. Binding to the deduced consensus sequence is supported by in vitro gel shifts and by in vivo functional reporter gene studies. Two significant changes compared to WT binding are observed: G is selected as the middle nucleotide and the 3'-portion of the consensus sequence is more degenerate. As a consequence CDA-KLF1 did not bind the WT consensus sequence. However, activation of ectopic sites is promoted. Continuous activation of WT target genes occurs if they fortuitously contain the novel CDA site nearby. Our findings provide a molecular understanding of how a single mutation in the KLF1 zinc finger exerts an effects on erythroid physiology in CDA type IV.