The FASEB JournalVolume 7, Issue 1 p. 155-160 Research Communication Mis-splicing yields circular RNA molecules Claude Cocquerelle, Claude Cocquerelle Unité 124 INSERM, Institut de Recherches sur le Cancer, 59045 Lille Cedex, FranceSearch for more papers by this authorBénédicte Mascrez, Bénédicte Mascrez Unité 124 INSERM, Institut de Recherches sur le Cancer, 59045 Lille Cedex, FranceSearch for more papers by this authorDominique Hétuin, Dominique Hétuin Unité 124 INSERM, Institut de Recherches sur le Cancer, 59045 Lille Cedex, FranceSearch for more papers by this authorBernard Bailleul, Corresponding Author Bernard Bailleul n/[email protected] Unité 124 INSERM, Institut de Recherches sur le Cancer, 59045 Lille Cedex, FranceTo whom correspondence should be addressed, at: Unite 124 INSERM, Institut de Recherches sur Ic Cancer, Place de Verdun, 59045 Lille Cedex, France.Search for more papers by this author Claude Cocquerelle, Claude Cocquerelle Unité 124 INSERM, Institut de Recherches sur le Cancer, 59045 Lille Cedex, FranceSearch for more papers by this authorBénédicte Mascrez, Bénédicte Mascrez Unité 124 INSERM, Institut de Recherches sur le Cancer, 59045 Lille Cedex, FranceSearch for more papers by this authorDominique Hétuin, Dominique Hétuin Unité 124 INSERM, Institut de Recherches sur le Cancer, 59045 Lille Cedex, FranceSearch for more papers by this authorBernard Bailleul, Corresponding Author Bernard Bailleul n/[email protected] Unité 124 INSERM, Institut de Recherches sur le Cancer, 59045 Lille Cedex, FranceTo whom correspondence should be addressed, at: Unite 124 INSERM, Institut de Recherches sur Ic Cancer, Place de Verdun, 59045 Lille Cedex, France.Search for more papers by this author First published: 01 January 1993 https://doi.org/10.1096/fasebj.7.1.7678559Citations: 783AboutPDF ToolsRequest permissionExport citationAdd to favoritesTrack citation ShareShare Give accessShare full text accessShare full-text accessPlease review our Terms and Conditions of Use and check box below to share full-text version of article.I have read and accept the Wiley Online Library Terms and Conditions of UseShareable LinkUse the link below to share a full-text version of this article with your friends and colleagues. Learn more.Copy URL Share a linkShare onEmailFacebookTwitterLinkedInRedditWechat Abstract We previously identified novel human ets-1 transcripts in which the normal order of exons is inverted, and demonstrated that although the order of exons is different than in the genomic DNA, splicing of these exons out of order occurs in pairs using genuine splice sites (1). Here we determine the structure of these novel transcripts, showing that they correspond to circular RNA molecules containing only exons in genomic order. These transcripts are stable molecules, localized in the cytoplasmic component of the cells. To our knowledge, this is the first case of circular transcripts being processed from nuclear pre-mRNA in eukaryotes. This new type of transcript might represent a novel aspect of gene expression and hold some interesting clues about the splicing mechanism.— Cocquerelle, C., Mascrez, B., Hétuin, D., Bailleul, B. Mis-splicing yields circular RNA molecules. FASEB J. 7: 155-160; 1993. Citing Literature Volume7, Issue1January 1993Pages 155-160 RelatedInformation

The evolution of digits was an essential step in the success of tetrapods. Among the key players, Hoxd genes are coordinately regulated in developing digits, where they help organize growth and patterns. We identified the distal regulatory sites associated with these genes by probing the three-dimensional architecture of this regulatory unit in developing limbs. This approach, combined with in vivo deletions of distinct regulatory regions, revealed that the active part of the gene cluster contacts several enhancer-like sequences. These elements are dispersed throughout the nearby gene desert, and each contributes either quantitatively or qualitatively to Hox gene transcription in presumptive digits. We propose that this genetic system, which we call a “regulatory archipelago,” provides an inherent flexibility that may partly underlie the diversity in number and morphology of digits across tetrapods, as well as their resilience to drastic variations.PaperFlickhttps://www.cell.com/cms/asset/b21b45e2-71ea-4ac1-9aaf-a446fa2b48e0/mmc2.mp4Loading ...(mp4, 11.59 MB) Download video

Collinearity Cracked in Tetrapod Limbs During limb development, the time a nd place of Hox transcription are fixed by respective gene position within the gene cluster. Andrey et al. (p. 1234167 ; see the Perspective by Rodrigues and Tabin ) found that this enigmatic property results from the opposite and successive actions of two large regulatory landscapes located on either side of the mouse Hox locus. In the early phase, one of these topological domains regulates transcription in the proximal limb until a switch occurs toward the other topological domain, which takes over the regulation in the distally developing digits. As a side effect of this antagonistic regulatory strategy, cells in-between have lessened Hox transcription, which generates the wrist.

ABSTRACT During development, Hox genes are activated in a time sequence following their relative positions on their clusters, leading to the proper identities of structures along the rostral to caudal axis. To understand the mechanism operating this Hox timer, we used ES-cells derived stembryos and show that the core of the process involves the start of transcription at the 3’ part of the cluster, following Wnt signaling, and the concomitant loading of cohesin complexes on the transcribed DNA segments, i.e., with an asymmetric distribution along the gene cluster. Chromatin extrusion then occurs with successively more posterior CTCF sites acting as transient insulators, thus generating a progressive time-delay in the activation of more 5’-located genes due to long-range contacts with a flanking TAD. Mutant stembryos support this model and reveal that the iterated presence of evolutionary conserved and regularly spaced intergenic CTCF sites control the precision and the pace of this temporal mechanism.

ABSTRACT The HoxD gene cluster is critical for proper limb formation in tetrapods. In the emerging limb buds, different sub-groups of Hoxd genes respond first to a proximal regulatory signal, then to a distal signal that organizes digits. These two regulations are exclusive from one another and emanate from two distinct TADs flanking HoxD , both containing a range of appropriate enhancer sequences. The telomeric TAD (T-DOM) contains several enhancers active in presumptive forearm cells and is divided into two sub-TADs separated by a CTCF-rich boundary, which defines two regulatory sub-modules. To understand the importance of this particular regulatory topology to control Hoxd gene transcription in time and space, we either deleted or inverted this sub-TAD boundary, eliminated the CTCF binding sites or inverted the entire T-DOM to exchange the respective positions of the two sub-TADs. The effects of such perturbations on the transcriptional regulation of Hoxd genes illustrate the requirement of this regulatory topology for the precise timing of gene activation. However, the spatial distribution of transcripts was eventually resumed, showing that the presence of enhancers sequences, rather than either their exact topology or a particular chromatin architecture, is the key factor. We also show that the affinity of enhancers to find their natural target genes can overcome the presence of both a strong TAD border and an unfavourable orientation of CTCF sites. SIGNIFICANCE STATEMENT Many genes important for vertebrate development are surrounded by series of remote enhancer sequences. Such regulatory landscapes and their target genes are usually located within the same chromatin domains, which appears to constrain the action of these regulatory sequences and hence to facilitate enhancer-promoter recognition and gene expression. We used the HoxD locus to assess the impact of modifying the regulatory topology upon gene activation in space and time. A series of chromosomal re-arrangements involving deletions and inversions reveals that the enhancer topology plays a role in the timing of gene activation. However, gene expression was often recovered, subsequently, illustrating the intrinsic capacity of some enhancers to find their target promoters despite an apparently adverse chromatin topology.

ABSTRACT Some human families display severe shortening and bending of the radius and ulna, a condition referred to as mesomelic dysplasia. Many of these families contain chromosomal rearrangements at 2q31, where the human HOXD locus maps. In mice, the dominant X-ray-induced Ulnaless inversion of the HoxD gene cluster produces a similar phenotype suggesting that the same mechanism is responsible for this pathology in humans and mice. Amongst the proposed explanations, the various alterations to the genomic structure of HOXD could expose Hoxd13 to proximal limb enhancers, leading to its deleterious gain-of-expression in the embryonic forelimb. To assess this hypothesis, we used an engineered 1Mb large inversion including the HoxD gene cluster, in order to position Hoxd13 within a chromatin domain rich in proximal limb enhancers. We show that these enhancers contact and activate Hoxd13 in proximal cells, concomitant to the formation of a mesomelic dysplasia phenotype. A secondary mutation in the coding frame of the HOXD13 protein in- cis with the inversion completely rescued the limb alterations, demonstrating that ectopic HOXD13 is indeed the unique cause of this bone anomaly. Single cell expression analysis and evaluation of HOXD13 binding sites in cells from this ectopic expression domain suggests that the phenotype arises primarily by acting through genes normally controlled by HOXD13 in distal limb cells. Altogether, these results provide a conceptual and mechanistic framework to understand and unify the molecular origins of human mesomelic dysplasia associated with 2q31.

A global analysis of gene expression during development reveals specific transcription patterns associated with the emergence of various cell types, tissues and organs. These heterogeneous patterns are instrumental to ensure the proper formation of the different parts of our body, as shown by the phenotypic effects generated by functional genetic approaches. However, variations at the cellular level can be observed within each structure or organ. In the developing mammalian limbs, expression of Hoxd genes is differentially controlled in space and time in cells that will pattern the digits and the arms. Here we analyze single-cell transcriptomes of limb bud cells and show that Hox genes are expressed in specific combinations that match particular cell types. In the presumptive digits, we find that the expression of Hoxd gene is unbalanced, despite their common genomic proximity to known global enhancers, often expressing only a subset of the five genes transcribed in these cells. We also report that combinatorial expression follows a pseudo-time sequence, suggesting that a progression in combinatorial expression may be associated with cellular diversity in developing digits.

ABSTRACT The expression of genes with a key function during development is frequently controlled by large regulatory landscapes containing multiple enhancer elements. These landscapes often match Topologically Associating Domains (TADs) and sometimes integrate range of similar enhancers, thus leading to TADs having a global regulatory specificity. To assess the relative functional importance of enhancer sequences versus the regulatory domain they are included in, we set out to transfer one particular enhancer sequence from its native domain into a TAD with a closely related, yet different functional specificity. We used Hoxd genes and their biphasic regulation during limb development as a paradigm, since they are first activated in proximal limb cells by enhancers located in one TAD, which is then silenced at the time when the neighboring TAD starts to activate its enhancers in distal limb cells. We introduced a strong distal limb enhancer into the ‘proximal limb TAD’ and found that its new context strongly suppresses its distal specificity, even though it continues to be bound by HOX13 transcription factors, which normally are responsible for this activity. Using local genetic alterations and chromatin conformation measurements, we see that the enhancer is capable of interacting with target genes, with a pattern comparable to its adoptive neighborhood of enhancers. Its activity in distal limb cells can be rescued only when a large portion of the surrounding environment is removed. These results indicate that, at least in some cases, the functioning of enhancer elements is subordinated to the local chromatin context, which can exert a dominant control over its activity.

ABSTRACT Background During tetrapod limb development, the HOXA13 and HOXD13 transcription factors are critical for the emergence and organization of the autopod, the most distal aspect where digits will develop. Since previous work had suggested that the Dbx2 gene is a target of these factors, we set up to analyze in detail this potential regulatory interaction. Results We show that HOX13 proteins bind to eutherian-specific sequences at the vicinity of the Dbx2 locus that have enhancer activity in developing digits. However, the functional inactivation of the DBX2 protein did not elicit any particular phenotype related to Hox genes inactivation in digits, suggesting either redundant or compensatory mechanisms. We report that the neighboring Nell2 and Ano6 genes are also expressed in distal limb buds and are, in part, controlled by the same Dbx2 enhancers despite being localized into two different topologically associating domains (TADs) flanking the Dbx2 locus. Conclusions We conclude that Hoxa13 and Hoxd genes cooperatively activate Dbx2 expression in developing digits through binding to eutherian specific regulators elements in the Dbx2 neighborhood. Furthermore, these enhancers can overcome TAD boundaries in either direction to co-regulate a set of genes located in distinct chromatin domains. Bullet points Hoxa13 and Hoxd genes cooperatively regulate Dbx2 expression in developing digits via eutherian specific enhancers. Dbx2 is expressed in different digit joint precursors but its function there is not essential. Dbx2 enhancers also control the expression of the Nell2 and Ano6 genes, which are located in different TADs, thus overcoming the boundary effect. Dbx2 chromatin architecture and enhancers evolved in the mammalian lineage. Grant Sponsor and Number Swiss National Research Foundation #310030B_138662. European Research Council grants Regul Hox #588029

ABSTRACT Mammalian Hox gene clusters contain a range of CTCF binding sites. In addition to their importance in organizing a TAD border, which isolates the most posterior genes from the rest of the cluster, the positions and orientations of these sites suggest that CTCF may be instrumental in the selection of various subsets of contiguous genes, which are targets of distinct remote enhancers located in the flanking regulatory landscapes. We examined this possibility by producing an allelic series of cumulative in-cis mutations in these sites, up to the abrogation of CTCF binding in the five sites located on one side of the TAD border. In the most impactful alleles, the global chromatin architecture of the locus was modified, yet not drastically, illustrating that CTCF sites located on one side of a strong TAD border are sufficient to organize at least part of this insulation. Spatial colinearity in the expression of these genes along the major body axis was nevertheless maintained, despite abnormal expression boundaries. In contrast, strong effects were scored in the selection of target genes responding to particular enhancers, leading to the mis-regulation of Hoxd genes in specific structures. Altogether, while most enhancer-promoter interactions can occur in the absence of this series of CTCF sites, it seems that the binding of CTCF in the Hox cluster is required to properly transform a rather unprecise process into a highly discriminative mechanism of interactions, which is translated into various patterns of transcription accompanied by the distinctive chromatin topology found at this locus. Our allelic series also allowed us to reveal the distinct functional contributions for CTCF sites within this Hox cluster, some acting as insulator elements, others being necessary to anchor or stabilize enhancer-promoter interactions and some doing both, whereas all together contribute to the formation of a TAD border. This variety of tasks may explain the amazing evolutionary conservation in the distribution of these sites amongst paralogous Hox clusters or between various vertebrates.