The dispersion of aromatic residues in TF IDRs controls a molecular trade-off between activity and specificity

Abstract

Cell-type specification is guided by transcription factors (TFs) that control specificity and activity of transcription by binding to regulatory DNA elements, such as enhancers. TFs are modular proteins, consisting of structured DNA-binding domains, which allow binding to TF-specific DNA motifs, and intrinsically disordered regions (IDRs), which often harbor “minimal activation domains” that control the activity of the TF. Both, DNA-binding specificity and transcriptional activity of TFs have been extensively studied using ChIP-sequencing and activation domain screens. However, the mechanisms by which TFs establish specific gene expression programs remain poorly understood, as TF-binding or the presence of a minimal activation domain within a TF IDR do not necessarily correlate with target gene expression. Recent studies suggest that non-linear sequence features of TF IDRs facilitate the formation of transcriptional condensates, contributing to both the activity and specificity of TFs, thus indicating a relationship between these two features.

In the following, I provide evidence for an evolutionary trade-off between the activity and specificity in human transcription factors encoded as submaximal dispersion of aromatic residues in their IDRs. I identified multiple human TFs that display significant dispersion of aromatic residues in their IDRs, resembling imperfect prion-like sequences. Mutation of dispersed aromatic residues reduced transcriptional activity, while increasing aromatic dispersion in multiple human TFs enhanced transcriptional activity. Furthermore, sequence optimization by increasing aromatic dispersion enhanced in vitro reprogramming efficiency, promoted liquid-like features of condensates formed in vitro, and led to more promiscuous DNA-binding in cells. Together with recent work on enhancer elements, these results suggest an important evolutionary role of suboptimal features in transcriptional control. I propose that engineering of amino acid features that alter condensation may be a strategy to optimize TF-dependent processes, including cellular reprogramming.

Die Differenzierung von Zellen wird von Transkriptionsfaktoren (TF) gesteuert. TF kontrollieren Spezifität, sowie Aktivität der Transkription, indem sie regulatorische DNA-Elemente wie Enhancer binden. TF sind modulare Proteine die zum einen, aus strukturierten DNA-Bindedomänen bestehen, welche eine spezifische Interaktion mit TF-Bindemotiven ermöglichen. Des Weiteren, bestehen TF aus intrinsisch ungeordneten Regionen (IDR), die häufig Aktivierungsdomänen enthalten, welche die Aktivität des TF regulieren. Sowohl die DNA-Bindungsspezifität als auch die transkriptionelle Aktivität von TF wurden umfassend mittels ChIP-Sequenzierung und Aktivierungsdomänen Screens untersucht. Die Mechanismen, durch die TF eine spezifische Aktivierung ihrer Zielgene hervorrufen, sind jedoch nicht vollständig verstanden, da das Binden eines TF an ein Zielgen oder die Präsenz einer Aktivierungsdomäne in einem TF nicht zwangsläufig mit der Expression eines Zielgens korreliert. Jüngste Studien deuten darauf hin, dass nicht-lineare Sequenzmerkmale von TF IDR die Bildung von transkriptionellen Kondensaten erleichtern und somit zu Spezifität als auch zur Aktivität von TF beitragen. Dies impliziert eine bisher nicht charakterisierte Anhängigkeit dieser beiden Merkmale zueinander.

Im Folgenden präsentiere ich Nachweise eines evolutionären Kompromisses zwischen der Aktivität und Spezifität von humanen TF, welcher sich in Form einer submaximalen Verteilung aromatischer Aminosäuren in TF IDR äußert. In meiner Arbeit identifizierte ich mehrere humane TF welche eine signifikante Verteilung von aromatischen Aminosäuren in ihren IDR aufweisen und somit Prion-ähnlichen Sequenzen ähneln. Die Mutagenese dieser aromatischen Aminosäuren verringerte die transkriptionelle Aktivität, während eine optimale Verteilung aromatischer Aminosäuren in mehreren humanen TF deren transkriptionelle Aktivität steigerte. Darüber hinaus erhöhte eine Sequenzoptimierung die Reprogrammierungseffizienz mehrerer TF in vitro, förderte biophysikalische Merkmale von gebildeten Kondensaten in vitro und führte zu einer weniger spezifischen DNA-Bindung in Zellen. Zusammen mit jüngsten Arbeiten zur Funktion von Enhancer-Elementen, deuten diese Ergebnisse auf eine wichtige evolutionäre Rolle suboptimaler Merkmale in der Transkriptionskontrolle hin. Meine Arbeit lässt darauf schließen, dass eine rationale Modifikation von Aminosäuremerkmalen, welche die Kondensation von Proteinen beeinflusst, eine Strategie zur Optimierung TF-abhängiger Prozesse, einschließlich der zellulären Reprogrammierung ist.