Mechanisms of Nascent Transcription in Cell Stress

Abstract

Cells are constantly exposed to various types of stress, such as proteotoxic stress, oxidative stress, and hypoxia. Survival under these circumstances requires genome-wide reprogramming of transcription involving both induction and repression of genes. Induction of transcription under adverse conditions requires stress-responsive transcription factors, such as heat shock factors (HSFs) that drive gene activation in response to proteotoxic stress. Although cellular stress responses have been extensively studied, several key questions remain unanswered, including how transcriptional memory of previously experienced stress is encoded over mitotic divisions? Moreover, previous studies have focused on understanding the mechanisms of nascent transcription in heat-shocked cells, but studies utilizing other types of stress are lacking.

The results of this thesis show that exposure to an acute heat stress encodes a memory, which allows accelerated release of paused RNA polymerase II (Pol II) into transcriptional elongation during recurring stress. Chronic heat stress, in turn, reduces initiation of transcription at heat-inducible genes over mitotic divisions by increasing retention of Pol II within termination regions of genes. Furthermore, this thesis uncovers new roles for HSF1 and HSF2 as multi-stress-responsive transcription factors that drive distinct transcription programs upon oxidative stress and heat shock. The results demonstrate that besides binding to gene promoters, HSF1 and HSF2 orchestrate transcription through stress-specific enhancers, adding a new layer of complexity to HSF-mediated gene regulation. Lastly, this thesis investigates the mechanism of action for chaperone co-inducer BGP-15, which has provided beneficial effects for the treatment of proteinopathic diseases where HSF1-driven transcription is disrupted. BGP 15 is found to act as an HDAC inhibitor, promoting open chromatin structure and enhanced induction of target genes of HSF1. In conclusion, this thesis expands the knowledge of molecular mechanisms related to transcriptional memory of stress and the role of HSFs in the regulation of gene-enhancer networks.

Celler utsätts ständigt för olika typer av stress, såsom proteotoxisk stress, oxidativ stress och hypoxi. Överlevnad under dessa omständigheter kräver genomomfattande omprogrammering av transkription som involverar både induktion och repression av gener. Induktion av transkription under ogynnsamma förhållanden kräver stresskänsliga transkriptionsfaktorer, såsom värmechockfaktorer (HSF) som driver genaktivering som svar på proteotoxisk stress. Även om cellulära stressreaktioner har studerats omfattande, förblir flera nyckelfrågor obesvarade, inklusive hur transkriptionsminne av tidigare upplevd stress kodas över mitotiska divisioner? Dessutom har tidigare studier fokuserat på att förstå mekanismerna för begynnande transkription i värmechockade celler, men studier som använder andra typer av stress saknas.

Resultaten av denna avhandling visar att exponering för en akut värmestress kodar för ett minne som möjliggör accelererad frisättning av pausat RNA-polymeras II (Pol II) till transkriptionell förlängning under återkommande stress. Kronisk värmestress minskar i sin tur initiering av transkription vid värmeinducerbara gener över mitotiska divisioner genom att öka retentionen av Pol II inom termineringsregioner av gener. Dessutom avslöjar denna avhandling nya roller för HSF1 och HSF2 som multi-stress-responsiva transkriptionsfaktorer som driver distinkta transkriptionsprogram vid oxidativ stress och värmechock. Resultaten visar att förutom att binda till genpromotorer, orkestrerar HSF1 och HSF2 transkription genom stressspecifika förstärkare, vilket lägger till ett nytt lager av komplexitet till HSF-medierad genreglering. Slutligen undersöker denna avhandling verkningsmekanismen för chaperon-koinduceraren BGP-15 som har gett gynnsamma effekter för behandling av proteinopatiska sjukdomar där HSF1-driven transkription störs. BGP-15 har visat sig fungera som en HDAC-hämmare, främja öppen kromatinstruktur och förbättrad induktion av målgener av HSF1. Sammanfattningsvis utökar denna avhandling kunskapen om mekanismer relaterade till transkriptionsminne av stress och HSFs roll i regleringen av genförstärkarnätverk.