Transcription factors bind in a combinatorial fashion to specify the on-and-off states of genes; the ensemble of these binding events forms a regulatory network, constituting the wiring diagram for a cell. To examine the principles of the human transcriptional regulatory network, we determined the genomic binding information of 119 transcription-related factors in over 450 distinct experiments. We found the combinatorial, co-association of transcription factors to be highly context specific: distinct combinations of factors bind at specific genomic locations. In particular, there are significant differences in the binding proximal and distal to genes. We organized all the transcription factor binding into a hierarchy and integrated it with other genomic information (for example, microRNA regulation), forming a dense meta-network. Factors at different levels have different properties; for instance, top-level transcription factors more strongly influence expression and middle-level ones co-regulate targets to mitigate information-flow bottlenecks. Moreover, these co-regulations give rise to many enriched network motifs (for example, noise-buffering feed-forward loops). Finally, more connected network components are under stronger selection and exhibit a greater degree of allele-specific activity (that is, differential binding to the two parental alleles). The regulatory information obtained in this study will be crucial for interpreting personal genome sequences and understanding basic principles of human biology and disease. A description is given of the ENCODE consortium’s efforts to examine the principles of human transcriptional regulatory networks; the results are integrated with other genomic information to form a hierarchical meta-network where different levels have distinct properties. This manuscript describes the effort of the ENCODE (Encyclopedia of DNA Elements) Consortium to examine the principles of human transcriptional regulatory networks, using a subset of 119 transcription factors. The results are integrated with other genomic information to form a multi-level meta-network in which different levels have distinct properties. The findings will aid future interpretations of human genomics and help us to understand the basic principles of human biology and disease.

ABSTRACT Transcriptional regulation in response to thyroid hormone (T 3 ) is a dynamic and cell-type specific process that maintains cellular homeostasis and identity in all tissues. However, our understanding of the mechanisms of thyroid hormone receptor (TR) actions at the molecular level are actively being refined. We used an integrated genomics approach to profile and characterize the cistrome of TRβ, map changes in chromatin accessibility, and capture the transcriptomic changes in response to T 3 in normal thyroid cells. There are significant shifts in TRβ genomic occupancy in response to T 3 , which are associated with differential chromatin accessibility, and differential recruitment of SWI/SNF chromatin remodelers. We further demonstrate selective recruitment of BAF and PBAF SWI/SNF complexes to TRβ binding sites, revealing novel differential functions in regulating chromatin accessibility and gene expression. Our findings highlight three distinct modes of TRβ interaction with chromatin and coordination of coregulator activity.

Abstract Venom systems are ideal models to study genetic regulatory mechanisms that underpin evolutionary novelty. Snake venom glands are thought to share a common origin, but there are major distinctions between venom toxins from the medically significant snake families Elapidae and Viperidae, and toxin gene regulation in elapids is largely unexplored. Here, we used high-throughput RNA-sequencing to profile gene expression and microRNAs between active (milked) and resting (unmilked) venom glands in an elapid (Eastern Brown Snake, Pseudonaja textilis ), in addition to comparative genomics, to identify cis - and trans - acting regulation of venom production in an elapid in comparison to viperids ( Crotalus viridis and C. tigris ). Although there is conservation in high-level mechanistic pathways regulating venom production, there are histone methylation, transcription factor, and microRNA regulatory differences between these two snake families. Histone methyltransferases (KMT2A, KMT2C and KMT2D) and transcription factor (TF) specificity protein 1 (Sp1) were highly upregulated in the milked elapid venom gland, whereas nuclear factor I (NFI) TFs were upregulated after viperid venom milking. Sp1 and NFI cis -regulatory elements were common to toxin gene promoter regions, but many unique elements were also present between elapid and viperid toxins. microRNA profiles were distinctive between milked and unmilked venom glands for both snake families, and microRNAs were predicted to target different toxin transcripts. Our comparative transcriptomic and genomic analyses between toxin genes and isoforms in elapid and viperid snakes suggests independent toxin evolution between these two snake families, demonstrating multiple toxin genes and regulatory mechanisms converged to underpin a highly venomous phenotype.

ABSTRACT The ATPase family AAA+ domain containing 2 (ATAD2) protein, and its paralog ATAD2B, have a C-terminal bromodomain that functions as a ‘reader’ of acetylated lysine residues on histone proteins. Using a structure-function approach, we investigated the ability of the ATAD2 and ATAD2B bromodomains to select acetylated lysine among multiple histone post-translational modifications. Isothermal titration calorimetry experiments revealed that the ATAD2 and ATAD2B bromodomains selectively recognize distinct patterns of acetylated lysine residues on the N-terminal tails of histone proteins. Adjacent methylation or phosphorylation marks were found to either enhance or weaken the recognition of acetylated lysine by the ATAD2/B bromodomains. Complementary structural studies provide mechanistic insights into how residues within the bromodomain binding pocket coordinate the acetyllysine group in the context of adjacent post- translational modifications. Furthermore, we investigated how sequence changes in amino acids of the histone ligands, either as ‘onco’ mutations or as histone variants, impact the recognition of an adjacent acetylated lysine residue. In summary, our study highlights how the interplay between multiple combinations of histone modifications influences the ‘reader’ activity of the ATAD2 and ATAD2B bromodomains, resulting in distinct binding modes of the two bromodomains. KEY POINTS Multiple independent ATAD2 gene duplication events are evident during metazoan evolution, indicating expansion of functionality in the ATAD2 gene family and suggesting distinct functions for ATAD2 and ATAD2B. High-resolution structures of the ATAD2 and ATAD2B bromodomains in complex with their histone ligands demonstrate how multiple post-translational modifications are coordinated. Recognition of different subsets acetylated histone ligands by the ATAD2 and ATAD2B bromodomains is driven by unique features within the binding pockets of these paralogous proteins. Onco-histone mutations and histone variants that change the amino acid sequence of the histone tails modulate the ATAD2 and ATAD2B bromodomain activity. This study demonstrates how the combinatorial activity of multiple post- translational modifications forms a histone code and influences the recognition of acetylated lysine by bromodomain-containing proteins.

The ATPase family, AAA+ domain-containing protein 2B (ATAD2B) is a nuclear protein that may play a role in the development of neuronal tissues and tumorigenesis. The ATAD2B protein contains a C-terminal bromodomain that is highly homologous to the ATAD2 bromodomain, with 74.7% sequence identity and 94.4% similarity. The ATAD2 bromodomain is an attractive drug target because overexpression of ATAD2 is positively correlated with the progression of multiple cancer types, and poor patient outcomes. Although ATAD2 and ATAD2B are highly conserved, little is known about the function of ATAD2B, or its role in oncogenesis. We hypothesized that the ATAD2B bromodomain would likely be involved in recognition of di-acetyllysine modifications on the histone tail, similarly to its ATAD2 paralog. We identified the acetylated histone ligands of the ATAD2B bromodomain using a combination of isothermal titration calorimetry and nuclear magnetic resonance techniques. Interestingly, the ATAD2B bromodomain has different substrate specificity than the ATAD2 bromodomain, preferentially selecting for the histone H4K5acK8ac ligand. NMR chemical shift perturbation assays and site-directed mutagenesis were used to map out the acetyllysine binding pocket, enabling characterization of residues involved in coordination of mono- and di-acetylated histone ligands by the ATAD2B bromodomain. In addition, the X-ray crystal structure of the ATAD2B bromodomain in complex with an ATAD2 bromodomain inhibitor was solved at 2.2 Å resolution. This structure revealed that critical contacts required for bromodomain inhibitor coordination are conserved between the ATAD2/B bromodomains, and many of these residues play a dual role in acetyllysine recognition.

Abstract Background Bromodomains are a structurally conserved epigenetic reader domain that bind to acetylated lysine residues in both histone and non-histone proteins. Bromodomain-containing proteins (BRD proteins) function are established scaffolds in the assembly of multi-protein complexes to regulate diverse biological processes. BRD proteins have been classified based on biological and functional similarity, however the functions of many BRD proteins remains unknown. PPI network analysis is useful for revealing organizational roles, identifying functional clusters, and predicting function for BRD proteins. Results We used available data to construct protein-protein interaction networks (PPINs) to study the properties of the human bromodomain protein family. The network properties of the BRD PPIN establishes that the BRD proteins serve as hub proteins that are enriched near the global center to form an inter-connected PPIN. We identified dense subgraphs formed by BRD proteins and find that different BRD proteins share topological similarity and functional associations. We explored the functional relationships through clustering and Hallmark pathway gene set enrichment analysis and identify potential biological roles for different BRD proteins. Conclusions In our network analysis we confirmed that BRD proteins are conserved central nodes in the human PPI network and function as scaffolds to form distinctive functional clusters. Overall, this study provides detailed insight into the predictive functions of BRD proteins in the context of functional complexes and biological pathways.