The ETS gene family is frequently involved in chromosome translocations that cause human cancer, including prostate cancer, leukemia, and sarcoma. However, the mechanisms by which oncogenic ETS proteins, which are DNA-binding transcription factors, target genes necessary for tumorigenesis is not well understood. Ewing's sarcoma serves as a paradigm for the entire class of ETS-associated tumors because nearly all cases harbor recurrent chromosomal translocations involving ETS genes. The most common translocation in Ewing's sarcoma encodes the EWS/FLI oncogenic transcription factor. We used whole genome localization (ChIP-chip) to identify target genes that are directly bound by EWS/FLI. Analysis of the promoters of these genes demonstrated a significant over-representation of highly repetitive GGAA-containing elements (microsatellites). In a parallel approach, we found that EWS/FLI uses GGAA microsatellites to regulate the expression of some of its target genes including NR0B1 , a gene required for Ewing's sarcoma oncogenesis. The microsatellite in the NR0B1 promoter bound EWS/FLI in vitro and in vivo and was both necessary and sufficient to confer EWS/FLI regulation to a reporter gene. Genome wide computational studies demonstrated that GGAA microsatellites were enriched close to EWS/FLI-up-regulated genes but not down-regulated genes. Mechanistic studies demonstrated that the ability of EWS/FLI to bind DNA and modulate gene expression through these repetitive elements depended on the number of consecutive GGAA motifs. These findings illustrate an unprecedented route to specificity for ETS proteins and use of microsatellites in tumorigenesis.

Many transcription factors regulate gene expression in a combinatorial fashion often by binding in close proximity on composite cis-regulatory DNA elements. Here we investigate the molecular basis by which ETS transcription factors bind with AP1 transcription factors JUN-FOS at composite DNA-binding sites. The ability to bind to DNA with JUN-FOS correlates with the phenotype of these proteins in prostate cancer: the oncogenic ERG and ETV1/4/5 subfamilies co-occupy ETS-AP1 sites with JUN-FOS in vitro, whereas JUN-FOS robustly inhibits DNA binding by the tumor suppressors EHF and SPDEF. EHF binds to ETS-AP1 DNA with tighter affinity than ERG in the absence of JUN-FOS, which may enable EHF to compete with ERG and JUN-FOS for binding to ETS-AP1 sites. Genome-wide mapping of EHF and ERG binding sites in a prostate epithelial cell line reveal that EHF is preferentially excluded from closely spaced ETS-AP1 DNA sequences. Structural modeling and mutational analyses indicate that adjacent positively-charged surfaces from EHF and JUN-FOS disfavor simultaneous DNA binding due to electrostatic repulsion. The conservation of positively charged residues on the JUN-FOS interface identified ELF1 as an additional ETS factor that exhibits anticooperative DNA binding, and we present evidence that ELF1 is frequently downregulated in prostate cancer. In summary, the divergence of electrostatic features of ETS factors at their JUN-FOS interface enables distinct binding events at ETS-AP1 DNA sequences. We propose that this mechanism can drive unique targeting of ETS transcription factors, thereby facilitating distinct transcriptional programs.

Ewing’s sarcoma is most prevalent in adolescent males and is almost always the result of a chromosomal rearrangement that creases a fusion gene with EWSR1 as the 5’ fusion partner. Why EWSR1 is more commonly rearranged than other, similar genes and why Ewing’s sarcoma is predisposed to adolescent males is not known. We found that in prostate cancer, androgen signaling upregulated a 5’ EWSR1 isoform by promoting usage of an intronic polyadenylation site proximal to the Ewing’s sarcoma breakpoint hotspot. An intronic Androgen Receptor (AR) binding site was necessary for this upregulation. Strikingly, androgen signaling drove high levels of breakpoint formation in EWSR1 . Androgen signaling also promoted R-loop formation and R-loops were necessary for breakpoint formation. These data suggest that aberrant androgen signaling leads to R-loop-mediated DNA damage at the EWSR1 breakpoint hotspot and subsequent misrepair could promote EWSR1 gene fusions in Ewing’s sarcoma.