Kompozycja i dynamika chromatyny w obszarach terminacji transkrypcji u człowieka

Abstract

Transkrypcja genów kodujących białka dzieli się na trzy etapy: inicjację, elongację i terminację, a enzymem odpowiedzialnym za syntezę RNA podczas tego procesu jest polimeraza RNA II (RNAPII). Na przebieg transkrypcji wpływa zarówno architektura chromatyny, jak i czynniki epigenetyczne. Nie jest to jednak relacja jednostronna – transkrypcja i chromatyna oddziałują na siebie wzajemnie. Ze względu na błędne przekonanie, zakładające, że tylko inicjacja i elongacja stanowią kluczowe etapy transkrypcji, terminacja przez stosunkowo długi czas była marginalizowana. Jednak piętrzące się dowody naukowe wskazują, że terminacja jest kluczowym etapem regulacyjnym, niezbędnym dla precyzyjnej kontroli ekspresji genów. Niniejsza praca skupia się na wpływie, jaki organizacja i dynamika chromatyny wywiera na terminację transkrypcji. W pierwszej części pokazuję, że regiony terminacyjne można zdefiniować w genomie jako „okna” charakteryzujące się wzbogaceniem fosforylacji treoniny 4 (T4ph) w C-terminalnej domenie (CTD) polimerazy RNAPII. T4ph pełni rolę uniwersalnego markera pauzowania RNAPII, który jest obecny zarówno na końcach genów jak i w miejscach przedwczesnej terminacji transkrypcji (PTT). Dalsza analiza „okien terminacyjnych” ujawniła, że ich występowanie koreluje ze wzbogaceniem czynników odpowiedzialnych za tworzenie pętli chromatynowych. Co więcej, w „oknach terminacyjncyh” stopniowo zanika modyfikacja H3K36me3, charakterystyczna dla regionów, w których zachodzi aktywna transkrypcja. W drugiej części analizuję rolę metylotransferazy SETD2, odpowiedzialnej za metylację H3K36me3. W większości przypadków, enzym ten jest konieczny do prawidłowej inicjacji transkrypcji, jednak dla 15–25% genów jest niezbędny do właściwej terminacji. Dla tych właśnie genów aktywność katalityczna SETD2 jednocześnie stymuluje efektywne cięcie 3’ końca pre‑mRNA oraz zapobiega kryptycznej inicjacji transkrypcji wewnątrz genów. W ostatniej części, zwracam uwagę na kliniczne znaczenie prawidłowej terminacji. Skupiam się na roli PTT w utrzymaniu różnorodności transkryptomu na przykładzie rzadkiego zaburzenia neurorozwojowego – hipoplazji mostowo‑móżdżkowej typu 10. PTT reguluje równowagę między różnymi izoformami mRNA i obniża poziom ekspresji danego genu. Z tego względu, niezwykle istotne jest dalsze badanie roli przedwczesnej terminacji w kontekście klinicznym. Podsumowując, niniejsza praca kładzie nacisk na rolę, jaką stanowią końce genów. Wpływając na stabilność mRNA, jego lokalizację oraz ostateczną funkcję kodowanych białek, pełnią one istotną regulacyjną funkcję. Definicja „okien terminacyjnych” w genomie może mieć realny wpływ na ulepszanie adnotacji genomowych i identyfikację mutacji związanych z chorobami, które znajdują się w rejonach niekodujących. Ponadto, odkrycie nowej roli SETD2 w obróbce 3’ końca pre-mRNA podkreśla złożoność powiązań między czynnikami epigenetycznymi a transkrypcją. Tym samym, terminacja pełni istotną funkcję regulacji całego procesu transkrypcji zarówno w warunkach fizjologicznych jak i w przypadku wielu jednostek chorobowych.

Transcription termination of protein-coding genes represents the last step of nascent RNA synthesis by RNA polymerase II (RNAPII), following initiation and elongation. Because transcription occurs in a dynamic nuclear environment, chromatin architecture and epigenetic factors strongly influence its progression, and transcription and chromatin organization mutually shape each other. To date, most studies have focused on initiation and elongation, leaving termination comparatively overlooked due to the assumption that RNAPII had already completed its most important tasks. Yet accumulating evidence demonstrates that termination is a crucial regulatory step, essential for safeguarding transcriptional integrity and fine‑tuning gene expression. This work investigates how chromatin organization and dynamics affect transcription termination. In the first part, I show that termination regions can be successfully defined genome‑wide as windows marked by threonine 4 phosphorylation (T4ph) of the RNAPII C‑terminal domain (CTD). T4ph acts as a universal marker of RNAPII terminal pausing, present at both annotated gene ends and premature transcription termination (PTT) sites within gene bodies. Genome‑wide definition of termination windows further reveals their association with the occupancy of chromatin looping factors and their association with a gradual decline of H3K36me3, a histone modification characteristic of active transcription. In the second part, I explore the role of the H3K36me3‑depositing methyltransferase SETD2. While SETD2 is generally required for correct transcription initiation, I demonstrate that in ~15–25% of genes it is additionally essential for proper termination. At these loci, SETD2’s catalytic activity promotes efficient pre‑mRNA 3′ end cleavage and prevents cryptic transcription initiation within gene bodies, particularly near gene ends. Importantly, this function of SETD2 in termination occurs independently of alternative polyadenylation (APA). Finally, I address the clinical relevance of accurate termination by showing how PTT contributes to transcriptome diversity in pontocerebellar hypoplasia type 10, a rare neurodevelopmental disorder. Since PTT regulates isoform balance and attenuates gene expression, its role in disease pathogenesis merits further investigation. Taken together, this work emphasizes that gene ends represent important regulatory regions influencing transcript stability, localization and the eventual function of encoded proteins. Genome‑wide definition of termination windows offers a valuable resource for improving genomic annotations and for identifying pathogenic variants in noncoding regions. Moreover, the discovery of a novel role for the tumor suppressor SETD2 in 3′ end processing underscores the intricate interplay between epigenetic regulation and transcription, and highlights termination as a one of central safeguards of transcriptional stability in both normal physiology and disease.