Summary Cell fate depends on genetic, epigenetic and environmental inputs that are interconnected, making it difficult to disentangle their respective contributions to cell fate decisions 1-3 , and epigenetic reprogramming is a major contributor to tumor plasticity and adaptation 4-6 . Although cancer initiation and progression are generally associated with the accumulation of somatic mutations 7,8 , substantial epigenomic alterations underlie many aspects of tumorigenesis and cancer susceptibility 9-18 , suggesting that genetic mechanisms alone may not be sufficient to drive malignant transformations 19-23 . However, whether purely non-genetic reprogramming mechanisms are sufficient to initiate tumorigenesis irrespective of mutations is unknown. Here, we show that a transient perturbation of transcriptional silencing mediated by Polycomb-Group proteins is sufficient to induce an irreversible switch to a cancer cell fate in Drosophila . This is linked to the irreversible derepression of genes that can drive tumorigenesis, including JNK and JAK-STAT signalling pathways and zfh1 , the fly homolog of the ZEB1 oncogene, which we show to be a necessary driver of the cancer fate. These data show that a reversible perturbation of Polycomb-Group protein levels can induce cancer in the absence of driver mutations and suggest that this is achieved through epigenetic inheritance of altered cell fates.

Abstract During animal evolution, de novo emergence and modifications of pre-existing transcriptional enhancers have contributed to biological innovations, by implementing gene regulatory networks. The Drosophila melanogaster bric-a-brac ( bab ) complex, comprising the tandem paralogous genes bab1 - 2 , provides a paradigm to address how enhancers contribute and co-evolve to regulate jointly or differentially duplicated genes. We previously characterized an intergenic enhancer (named LAE) governing bab2 expression in leg and antennal tissues. We show here that LAE activity also regulates bab1 . CRISPR/Cas9-mediated LAE excision reveals its critical role for bab2 -specific expression along the proximo-distal leg axis, likely through paralog-specific interaction with the bab2 gene promoter. Furthermore, LAE appears involved but not strictly required for bab1 - 2 co-expression in leg tissues. Phenotypic rescue experiments, chromatin features and a gene reporter assay reveal a large “pleiotropic” bab1 enhancer (termed BER) including a series of cis -regulatory elements active in the leg, antennal, wing, haltere and gonadal tissues. Phylogenomics analyses indicate that (i) bab2 originates from bab1 duplication within the Muscomorpha sublineage, (ii) LAE and bab1 promoter sequences have been evolutionarily-fixed early on within the Brachycera lineage, while (iii) BER elements have been conserved more recently among muscomorphans. Lastly, we identified conserved binding sites for transcription factors known or prone to regulate directly the paralogous bab genes in diverse developmental contexts. This work provides new insights on enhancers, particularly about their emergence, maintenance and functional diversification during evolution. Author summary Gene duplications and transcriptional enhancer emergence/modifications are thought having greatly contributed to phenotypic innovations during animal evolution. However, how enhancers regulate distinctly gene duplicates and are evolutionary-fixed remain largely unknown. The Drosophila bric-a-brac locus, comprising the tandemly-duplicated genes bab1 - 2 , provides a good paradigm to address these issues. The twin bab genes are co-expressed in many tissues. In this study, genetic analyses show a partial co-regulation of both genes in the developing legs depending on tissue-specific transcription factors known to bind a single enhancer. Genome editing and gene reporter assays further show that this shared enhancer is also required for bab2 -specific expression. Our results also reveal the existence of partly-redundant regulatory functions of a large pleiotropic enhancer which contributes to co-regulate the bab genes in distal leg tissues. Phylogenomics analyses indicate that the Drosophila bab locus originates from duplication of a dipteran bab1 -related gene, which occurred within the Brachycera (true flies) lineage. bab enhancer and promoter sequences have been differentially-conserved among Diptera suborders. This work illuminates how transcriptional enhancers from tandem gene duplicates (i) differentially interact with distinct cognate promoters and (ii) undergo distinct evolutionary changes to diversifying their respective tissue-specific gene expression pattern.

Abstract Cancer initiation and progression are typically associated with the accumulation of driver mutations and genomic instability. However, recent studies demonstrated that cancer can also be driven purely by epigenetic alterations, without driver mutations. Specifically, a 24-h transient downregulation of polyhomeotic ( ph -KD), a core component of the Polycomb complex PRC1, is sufficient to induce epigenetically initiated cancers (EICs) in Drosophila , which are proficient in DNA repair and characterized by a stable genome. Whether genomic instability eventually occurs when PRC1 downregulation is performed for extended periods of time remains unclear. Here, we show that prolonged depletion of PH, which mimics cancer initiating events, results in broad dysregulation of DNA replication and repair genes, along with the accumulation of DNA breaks, defective repair, and widespread genomic instability in the cancer tissue. A broad misregulation of H2AK118 ubiquitylation and to a lesser extent of H3K27 trimethylation also occurs and might contribute to these phenotypes. Together, this study supports a model where DNA repair and replication defects accumulate during the tumorigenic transformation epigenetically induced by PRC1 loss, resulting in genomic instability and cancer progression.

Abstract Genomic enhancers are key transcriptional regulators which, upon the binding of sequence-specific transcription factors, activate their cognate target promoters. Although enhancers have been extensively studied in isolation, a substantial number of genes have more than one simultaneously active enhancer, and it remains unclear how these cooperate to regulate transcription. Using Drosophila melanogaster S2 cells as a model, we assay the activities of more than a thousand individual enhancers and a million enhancer pairs towards housekeeping and developmental core promoters with STARR-seq. We report that housekeeping and developmental enhancers show distinct modes of enhancer-enhancer cooperativity: while housekeeping enhancers are additive such that their combined activity mirrors the sum of their individual activities, developmental enhancers are synergistic and follow a multiplicative model of cooperativity. This developmental enhancer synergy is promiscuous and neither depends on the enhancers’ endogenous genomic contexts nor on specific transcription factor motif signatures, but it saturates for the highest levels of enhancer activity. These results have important implications for our understanding of gene-regulation in complex multi-enhancer loci and genomically clustered housekeeping genes, providing a rationale for strong and mild transcriptional effects of mutations within enhancer regions.

Abstract Recruitment of RNA polymerase II (Pol II) to promoter regions is essential for transcription. Despite conflicting evidence, the Pol II Pre-Initiation Complex (PIC) is often thought to be of uniform composition and assemble at all promoters via an identical mechanism. Here, we show using Drosophila melanogaster S2 cells as a model that promoter classes with distinct functions and initiation patterns function via PICs that display different compositions and dependencies: developmental promoter DNA readily associates with the canonical Pol II PIC, whereas housekeeping promoter DNA does not and instead recruit different factors such as DREF. Consistently, TBP and DREF are required by distinct sets of promoters, and TBP and its paralog TRF2 function at different promoter types, partly exclusively and partly redundantly. In contrast, TFIIA is required for transcription from all promoters, and we identify factors that can recruit and/or stabilize TFIIA at housekeeping promoters and activate transcription. We show that promoter activation by these factors is sufficient to induce the dispersed transcription initiation patterns characteristic of housekeeping promoters. Thus, different promoter classes direct distinct mechanisms of transcription initiation, which relate to different focused versus dispersed initiation patterns.

Abstract Determining protein function in a systematic manner is a key goal of modern biology, but remains challenging with current approaches. Here, we present ORFtag, a versatile, cost-effective and highly efficient method for the massively-parallel tagging and functional interrogation of proteins at proteome scale. Using mouse embryonic stem cells, we showcase ORFtag’s utility through screens for transcriptional activators, repressors and post-transcriptional regulators. Each screen finds known and novel regulators, including long ORFs not accessible to other methods, revealing that Zfp574 is a highly selective transcriptional activator and that oncogenic fusions frequently function as transactivators.

Enhancers are short DNA sequences that activate their target promoter from a distance; however, increasing the genomic distance between the enhancer and the promoter decreases expression levels. Many genes are controlled by combinations of multiple enhancers, yet the interaction and cooperation of individual enhancer elements is not well understood. Here, we developed a novel synthetic platform that allows building complex regulatory landscapes from the bottom up. We tested the system by integrating individual enhancers at different distances and revealed that the strength of an enhancer determines how strongly it is affected by increased genomic distance. Furthermore, synergy between two enhancer elements depends on the distance at which the two elements are integrated: introducing a weak enhancer between a strong enhancer and the promoter strongly increases reporter gene expression, allowing enhancers to activate from increased genomic distances.