Epigenetic regulation of mRNA and lncRNA transcription dynamics by HAT and HDACs

Abstract

HATs transfer acetyl-functional group to histone lysine residue from Acetyl-Coenzyme A. Histone acetylation opens chromatin structure and activates RNA polymerase Ⅱ transcription. In contrast, HDACs removes acetyl group from histones. Histone deacetylation organizes heterochromatin to repress transcription. In addition, Histone methylation offers binding sites to HATs and HDACs. For recruiting to specific genome loci, HATs and HDACs should have the chromatin binding modules such as chromodomain, PHD finger domain, tudordomain, etc. This study shows that which genes are regulated by HATs and HDACs during environmental changes dynamically. Furthermore, my study also propose the function of chromatin binding modules in transcriptional regulation. Together, I demonstrante the mechanism of transcriptional regulation by NuA3 HAT complex and Rpd3S HDAC complex. Part 1 : H3K36 methylation by Set2 targets Rpd3S histone deacetylase to transcribed regions of mRNA genes, repressing internal cryptic promoters and slowing elongation. Here I explore the function of this pathway by analyzing transcription in yeast undergoing a series of carbon source shifts. Approximately 80 mRNA genes show increased induction upon SET2 deletion. A majority of these promoters have overlapping lncRNA transcription that targets H3K36me3 and deacetylation by Rpd3S to the mRNA promoter. Previously, it is reported that a similar mechanism for H3K4me2-mediated repression via recruitment of the Set3C histone deacetylase. I show that the distance between an mRNA and overlapping lncRNA promoter determines whether Set2-Rpd3S or Set3C represses. This analysis also reveals many previously unreported cryptic ncRNAs induced by specific carbon sources, showing that cryptic promoters can be environmentally regulated. Therefore, in addition to repression of cryptic transcription and modulation of elongation, H3K36 methylation maintains optimal expression dynamics of many mRNAs and ncRNAs. Part 2 : Histone acetylation controlled by the antagonistic function of HATs and HDACs directly activates RNA Pol II transcription. NuA3 HAT binds to active promoters via the interaction between the Yng1 PHD finger and H3K4me3 to acetylate histone H3K14. Although NuA3 HAT has additional chromatin binding modules, Nto1 PHD finger, Pdp3 PWWP domain, Yng1 N-terminal region, Taf14 YEATS domain, their exact functions in transcription remain unknown. Here I show that NuA3 HAT competes with both Rpd3S and Rpd3L HDACs to fine-tune mRNA and lncRNA expression dynamics. Yng1 N terminal region, Nto1 PHD finger and Pdp3 PWWP domain are important for optimal induction of mRNA and cryptic transcripts repressed by the Set2-Rpd3S HDAC pathway. In contrast, the Yng1 PHD finger-H3K4me3 interaction delays transcriptional repression memory (TREM) promoted by Rpd3L HDAC. These findings suggest that NuA3 HAT uses distinct chromatin binding domains to compete with two Rpd3 containing HDACs for optimal mRNA and lncRNA expression dynamics.;히스톤 아세틸 전달효소 (HATs)은 히스톤의 라이신 잔기를 아세틸화 함으로써 크로마틴 구조를 열고 RNA중합효소의 전사를 활성화한다. 반대로 히스톤 탈아세틸화 효소 (HDACs)는 아세틸 그룹을 제거함으로써 크로마틴 구조를 닫고 전사를 억제한다. 또한 히스톤 메틸화는 히스톤 아세틸 전달효소 및 탈아세틸화 효소의 결합 자리를 제공한다. 히스톤 아세틸 전달효소와 히스톤 탈아세틸화 효소가 히스톤 메틸화에 결합하기 위해서는 chromodomain, PHD finger domain, tudordomain 등과 같은 크로마틴 결합 모듈들을 가지고 있어야 한다. 이 논문에서는 히스톤 아세틸 전달효소와 히스톤 탈아세틸화 효소가 다이나믹하게 변하는 환경속에서 어떠한 타겟 유전자들을 조절하는지 그리고 크로마틴 결합 모듈들이 전사 조절에서 어떠한 역할을 하는지를 보여주고 있다. 모든 결과들을 통해 나는 NuA3 HAT 복합체와 Rpd3S HDAC 복합체의 전사조절 메커니즘에 대해 밝혔다. Part 1 : Set2에 의해 mRNA 유전자의 전사 범위의 H3K36 메틸화가 일어나면 Rpd3S 히스톤 탈아세틸화 효소가 결합하여 유전자 내부의 내제적 프로모터들을 억제하고 전사의 진행을 늦춘다. 이 연구에서는 이 매커니즘의 기능을 더 자세히 밝히기 효모를 탄소 공급원이 다른 배양액으로 계속 옮겨 주면서 배양하여 전사를 분석하였다. 대략 80개의 유전자에서 Set2가 없을 때 발현이 증가하는 것을 확인하였다. 이러한 유전자의 프로모터 대부분은 lncRNA와 중첩되어 있었는데 그에 따라 프로모터에 H3K36me3이 높아지게 되고 Rpd3S가 결합하여 프로모터를 탈아세틸화 시킨다. 선행 연구에서 이와 비슷한 메커니즘이 밝혀졌는데, Set3C 탈아세틸화 효소가 H3K4me2에 결합하여 전사를 억제한다고 알려져있다. 이 연구에서는 mRNA 프로모터와 중첩된 lncRNA 프로모터 사이의 거리에 의해 유전자의 전사가 Set2-Rpd3S에 의해 억제되는지 혹은 Set3C에 의해 억제되는지를 결정한다는 것을 밝혔다. 또한 이전에 밝히지 못한 많은 내제적 ncRNA들이 특정한 탄소 공급원 배지 조건에서 증가함을 알 수 있었는데, 이를 통해 내제적 프로모터가 환경적인 요인에 의해 조절됨을 알 수 있었다. 따라서 H3K36 메틸화가 내제적 전사와 전사의 진행을 억제할 뿐 아니라 많은 mRNA 및 ncRNA의 최적의 발현 역학을 유지하고 있음을 알 수 있었다. Part 2 : 히스톤 아세틸화는 히스톤 아세틸 전달효소 및 히스톤 탈아세틸화 효소의 길항작용에 의해 조절되어 RNA 중합효소 Ⅱ의 전사를 활성화한다. NuA3 아세틸 전달효소는 Yng1 PHD 핑거도메인을 통해 활성화된 프로모터에 있는 H3K4me3에 결합하여 H3K14를 아세틸화 시킨다. NuA3는 다른 크로마틴 결합 모듈들도 가지고 있는데 Nto1 PHD 핑거도메인, Pdp3 PWWP 도메인, Yng1 N terminal 부위, Taf14 YEATS 도메인이 있지만 전사에 있어서의 정확한 기능은 밝혀지지 않았다. 이 연구를 통해 NuA3 복합체가 어떻게 Rpd3S 및 Rpd3L 히스톤 탈아세틸화 효소 복합체와 경쟁을 하여 mRNA와 lncRNA의 발현을 조절하는지에 대해 밝혔다. Yng1 N terminal 부위, Nto1 PHD 핑거도메인, Pdp3 PWWP 도메인이 Set2-Rpd3S pathway에 의해 억제되는 mRNA와 내제적 전사체의 최적의 발현에 중요하다는 것을 밝힐 수 있었다. 반면 Yng1 PHD finger 도메인과 H3K4me3의 상호작용은 Rpd3L 히스톤 탈아세틸화 효소 복합체에 의한 전사 억제 기억을 억제하는 역할을 한다는 것을 밝혔다. 이러한 연구 결과들을 통해 NuA3가 각각 다른 크로마틴 결합 모듈을 사용해서 Rpd3를 포함하고 있는 서로 다른 두 개의 히스톤 탈아세틸화효소 복합체와 경쟁하여 최적의 mRNA 및 lncRNA의 발현 역동성을 조절함을 밝혔다.