Acetylation cofactors in closed chromatin - a novel mechanism of pioneer factor action and dynamics

Alle cellene i kroppen inneholder det samme DNAet og de samme genene. De ulike cellene er forskjellige og har distinkte funksjoner fordi spesifikke gener er skrudd av eller på i ulike celler. Regulering av genuttrykk er en meget komplisert prosess som kontrolleres av en gruppe proteiner kalt transkripsjonsfaktorer. Ved regulering av genuttrykk kan noen transkripsjonsfaktorer, kalt pioner faktorer, binde til DNA og til proteinene som DNA er kveilet rundt i cellekjernen, kalt histoner. Komplekset bestående av DNA og histoner kalles kromatin og finnes i en åpen struktur som assosieres med aktivt genuttrykk, og en lukket og mer kompakt struktur hvor genene er skrudd av. Pioner faktorer er de første transkripsjonsfaktorene som får tilgang til et gen som er skrudd av og skrur på genuttrykket ved å løsne kromatinstrukturen slik at andre faktorer får tilgang. Dette er et kritisk steg for bestemmelse av celleidentitet under tidlig utvikling. Pioner faktorer har en viktig rolle i celleutvikling og har i tillegg nøkkelfunksjoner som påvirker endringene i genuttrykk ved utvikling av kreft. Ettersom pioner faktorer har en rolle i utvikling av kreft er de attraktive mål for behandling av kreft. For å kunne bruke pioner faktorer som mål for behandling er det viktig å vite hvilke mekanismer de bruker når de utfører sine funksjoner. Formålet med dette prosjektet er å få innsyn i disse mekanismene ved å bruke pioner faktorene Sox9 og c-Myb som modeller. Vi har funnet ut at Sox9 kan programmere mesenkym celleidentitet ved å fungere som en pioner faktor, mens c-Mybs pioner faktor funksjon forhindrer differensiering av hematopoietiske celler. Vi sikter på å finne en felles mekanisme som også brukes av andre pioner faktorer i andre celletyper. Dersom vi avslører denne mekanismen kan dette prosjektet være svært relevant for kreftforskningen og danne grunnlaget for fremtidige behandlinger. Prosjektet er et samarbeid mellom Institutt for Biovitenskap ved Universitetet i Oslo og Terry Fox Laboratory, en av forskningsinstitusjonene til British Columbia Cancer Agency, i Vancouver, Canada.

We aimed to identify molecular mechanisms of pioneer factors. We have revealed details on SOX9 pioneer factor activity upon endothelial-to-mesenchymal (EndMT) transition and c-Myb pioneer factor functions in hematopoietic cells, as well as looked into c-Myb's potential role in endothelial-to-hematopoietic transition. EndMT is crucial for embryonic development, but it also plays an important role in the pathogenesis of several human disorders, including cancer progression and vascular diseases. Our study highlights the crucial developmental role of SOX9 and provides new insight into key molecular functions of SOX9 and mechanisms of endothelial-to-mesenchymal transition. Inappropriate overexpression and genomic rearrangements of the gene encoding c-Myb is associated with human leukemogenesis, highlighting the importance of resolving its mechanisms in hematopoietic cells. We anticipate that our findings will contribute to future efforts to reliably target pioneer factors therapeutically.

Pioneer factors are a subclass of transcription factors that are able to associate with closed chromatin and cause chromatin opening, allowing other DNA-binding proteins to bind and activate cell-type specific transcriptional programs. They are commonly found bound to enhancers before activation of gene expression and are crucial for the activation of genes involved in lineage determination and cell development. The emerging role of pioneer factors in cancer development makes them attractive therapeutic targets, but their mechanism of action is poorly understood and crucial to understand in order to therapeutically target them. The primary objective of this proposal is to identify this mechanism. Based on observations in the lab and from the literature, we propose a very specific mechanism of pioneer factors whereby they recruit histone acetyltransferases to closed chromatin and function as acetylation cofactors by presenting histone tails for acetylation, which in turn opens chromatin and activates enhancers. Furthermore, we propose that histone acetylation strongly impairs the binding of pioneer factors to chromatin and affects their binding dynamics, which is a novel outcome of histone acetylation and important to understand the histone code at enhancers. As a second objective, we wish to further our knowledge of the involvement of pioneer factors in human disease by identifying the genes dependent on pioneer factor action in specific cell types, as well as the cellular outcomes. We will use the cancer-associated proteins Sox9 and Myb as model pioneer factors in chondrogenesis and haematopoiesis respectively, to identify a shared mechanism that can also be applicable to other pioneer factors operating in other cell types. By identifying the mechanism of action of pioneer factors, this project will provide important knowledge that is relevant to the cancer field and can become the foundation of future efforts to reliably target pioneer factors therapeutically.