Two distinct mechanisms of NuA3 HAT-chromatin interaction differentially affect gene activation and transcriptional memory

Abstract

Histone acetylation is dynamically regulated via an antagonistic function of HATs and HDACs and directly activates RNA PolII transcription by regulating chromatin structure. NuA3 HAT preferentially binds to active promoters to acetylate H3K14. Yng1 subunit of NuA3 belongs to the INhibitor of Growth (ING) family and its PHD finger specifically binds to H3K4me3 enriched at promoters of actively transcribed genes. A recent study also identified an amino-terminal motif of Yng1 that mediates the interaction between NuA3 and unmodified histone H3. However, NuA3 is dispensable for global gene expression in a steady state condition. To examine how NuA3 affects gene expression, genome-wide transcription was analyzed in cells experiencing a series of carbon source shifts. Loss of NuA3 delays or reduces gene induction but has no effect on basal expression levels. Interestingly, a majority of NuA3 target genes show high levels of H3K4me3 in 3’ transcribed regions resulting from antisense transcription. Consistent with this, NuA3 binding to H3K4me3 is not required for the initial gene activation. Instead, this interaction promotes re-activation of previously activated genes suggesting that Yng1 PHD finger and H3K4me3 deposited by recent RNA PolII transcription is required for epigenetic transcriptional memory. Surprisingly, an amino-terminal motif of Yng1 directly affects the initial activation by NuA3. Based on these results, we propose that NuA3 initially binds to H3K4me3-depleted regions via an amino-terminal motif of Yng1 to promote the initial gene activation and that the interaction between Yng1 PHD finger and recently deposited H3K4me3 stabilizes NuA3 binding to chromatin for reactivation of target genes. ;히스톤 acetylation은 HAT과 HDAC의 상반된 기능에 의해 다이나믹하게 조절되며 크로마틴 구조를 조절해 직접적으로 RNAPII 전사를 활성화한다. NuA3 HAT은 활성화된 promoter부분에 결합해 H3K14를 acetylation시킨다. NuA3의 subunit인 Yng1은 Inhibitor of Growth (ING) family에 속하며, PHD finger를 통해 활성화된 유전자의 promoter에 enrich된 H3K4me3에 특이적으로 결합한다. 또한 최근 연구에서는 Yng1의 amino-terminal motif가 NuA3와 unmodified histone H3 사이의 상호작용을 매개한다는 사실이 보고되었다. 하지만 일정한 환경 조건에서 NuA3는 전반적인 유전자 발현에 크게 영향을 주지 않았다. NuA3가 유전자 발현에 어떻게 영향을 주는지 알아보기 위하여, 일련의 carbon source 변화를 겪는 세포들의 genomewide transcription를 분석하였다. 그 결과, NuA3를 잃었을 때 유전자 발현의 basal level에는 변함이 없었으나, 초기 발현의 활성화가 감소하거나 지연되는 것을 발견하였다. 흥미롭게도 타겟 유전자의 대부분은 antisense transcription에 의해 promoter가 아닌 3’ 부위에 H3K4me3 레벨이 높았다. 이는 NuA3가H3K4me3에 결합하는 것이 유전자의 초기 활성화에 필요하지 않다는 것을 가리킨다. 대신 이 결합은 이미 활성화되었던 유전자의 재활성화를 촉진했으며, 이를 통해 Yng1 PHD finger와 최근 RNA PolII transcription에 의해 축적된 H3K4me3이epigenetic transcriptional memory에 필요하다는 것을 알 수 있다. 놀랍게도 Yng1의 amino-terminal motif가 NuA3에 의한 초기 발현 활성화에 직접적으로 영향을 줬다. 나는 위 결과들을 토대로 NuA3가 Yng1의 amino-terminal motif를 통해 H3K4me3이 없는 부분에 결합해 유전자의 초기 활성화를 촉진하며, 이후 Yng1 PHD finger와 transcription로 인해 축적된 H3K4me3 사이의 상호작용이 NuA3와 chromatin의 결합을 안정화시켜 유전자의 재활성화를 촉진한다는 모델을 제시하였다.