ABSTRACT We have designed a system for targeted gene expression that allows the selective activation of any cloned gene in a wide variety of tissueand cell-specific patterns. The gene encoding the yeast transcriptional activator GAL4 is inserted randomly into the Drosophila genome to drive GAL4 expression from one of a diverse array of genomic enhancers. It is then possible to introduce a gene containing GAL4 binding sites within its promoter, to activate it in those cells where GAL4 is expressed, and to observe the effect of this directed misexpression on development. We have used GAL4-directed transcription to expand the domain of embryonic expression of the homeobox protein even-skipped. We show that even-skipped represses wingless and transforms cells that would normally secrete naked cuticle into denticle secreting cells. The GAL4 system can thus be used to study regulatory interactions during embryonic development. In adults, targeted expression can be used to generate dominant phenotypes for use in genetic screens. We have directed expression of an activated form of the Dras2 protein, resulting in dominant eye and wing defects that can be used in screens to identify other members of the Dras2 signal transduction pathway.

The mating type of yeast is determined by the allele, either a or α, at the MAT locus. Two other loci, HML and HMR, contain complete copies of the α and a genes, respectively, which are not expressed. The four SIR gene products are required in trans for repression of the silent loci, as are cis-acting sites on either side of HML and HMR, about 1000 bp from the mating-type promoters. We demonstrate that one of these cis-acting sequences, HMRE, is able to switch off at least two nonmating-type promoters. In common with enhancers, it is able to function in either orientation, relatively independently of its position with respect to the regulated promoter, and can act on promoters 2600 bp away. However since HMRE represses, rather than enhances, transcription we have called it a “silencer” sequence.

The global cell movements that shape an embryo are driven by intricate changes to the cytoarchitecture of individual cells. In a developing embryo,these changes are controlled by patterning genes that confer cell identity. However, little is known about how patterning genes influence cytoarchitecture to drive changes in cell shape. In this paper, we analyze the function of the folded gastrulation gene (fog), a known target of the patterning gene twist. Our analysis of fog function therefore illuminates a molecular pathway spanning all the way from patterning gene to physical change in cell shape. We show that secretion of Fog protein is apically polarized, making this the earliest polarized component of a pathway that ultimately drives myosin to the apical side of the cell. We demonstrate that fog is both necessary and sufficient to drive apical myosin localization through a mechanism involving activation of myosin contractility with actin. We determine that this contractility driven form of localization involves RhoGEF2 and the downstream effector Rho kinase. This distinguishes apical myosin localization from basal myosin localization, which we find not to require actinomyosin contractility or FOG/RhoGEF2/Rho-kinase signaling. Furthermore, we demonstrate that once localized apically, myosin continues to contract. The force generated by continued myosin contraction is translated into a flattening and constriction of the cell surface through a tethering of the actinomyosin cytoskeleton to the apical adherens junctions. Our analysis of fog function therefore provides a direct link from patterning to cell shape change.

Stem cells have the remarkable ability to give rise to both self-renewing and differentiating daughter cells. Drosophila neural stem cells segregate cell-fate determinants from the self-renewing cell to the differentiating daughter at each division. Here, we show that one such determinant, the homeodomain transcription factor Prospero, regulates the choice between stem cell self-renewal and differentiation. We have identified the in vivo targets of Prospero throughout the entire genome. We show that Prospero represses genes required for self-renewal, such as stem cell fate genes and cell-cycle genes. Surprisingly, Prospero is also required to activate genes for terminal differentiation. We further show that in the absence of Prospero, differentiating daughters revert to a stem cell-like fate: they express markers of self-renewal, exhibit increased proliferation, and fail to differentiate. These results define a blueprint for the transition from stem cell self-renewal to terminal differentiation.

The systemic regulation of stem cells ensures that they meet the needs of the organism during growth and in response to injury. A key point of regulation is the decision between quiescence and proliferation. During development, Drosophila neural stem cells (neuroblasts) transit through a period of quiescence separating distinct embryonic and postembryonic phases of proliferation. It is known that neuroblasts exit quiescence via a hitherto unknown pathway in response to a nutrition-dependent signal from the fat body. We have identified a population of glial cells that produce insulin/IGF-like peptides in response to nutrition, and we show that the insulin/IGF receptor pathway is necessary for neuroblasts to exit quiescence. The forced expression of insulin/IGF-like peptides in glia, or activation of PI3K/Akt signaling in neuroblasts, can drive neuroblast growth and proliferation in the absence of dietary protein and thus uncouple neuroblasts from systemic control.

Local control of mRNA translation modulates neuronal development, synaptic plasticity, and memory formation. A poorly understood aspect of this control is the role and composition of ribonucleoprotein (RNP) particles that mediate transport and translation of neuronal RNAs. Here, we show that staufen- and FMRP-containing RNPs in Drosophila neurons contain proteins also present in somatic “P bodies,” including the RNA-degradative enzymes Dcp1p and Xrn1p/Pacman and crucial components of miRNA (argonaute), NMD (Upf1p), and general translational repression (Dhh1p/Me31B) pathways. Drosophila Me31B is shown to participate (1) with an FMRP-associated, P body protein (Scd6p/trailer hitch) in FMRP-driven, argonaute-dependent translational repression in developing eye imaginal discs; (2) in dendritic elaboration of larval sensory neurons; and (3) in bantam miRNA-mediated translational repression in wing imaginal discs. These results argue for a conserved mechanism of translational control critical to neuronal function and open up new experimental avenues for understanding the regulation of mRNA function within neurons.

Repression of the yeast silent mating type loci requires cis-acting sequences located over 1 kb from the regulated promoters. One of these sites, a "silencer," exhibits enhancer-like distance- and orientation-independence. The silencer demonstrates both autonomous replication sequence (ARS) activity and a centromere-like segregation function, suggesting roles for DNA replication and segregation in transcriptional repression. Here we identify three sequences (A, E, and B) involved both in repression and in either ARS or segregation activity. The sequences are functionally redundant: no one is essential for complete transcriptional control, but mutations in any two inactivate the silencer. Surprisingly, elements E and B can each activate transcription from heterologous promoters, and E shows striking homology to several yeast upstream activation sequences. Therefore, sequences individually involved in replication, segregation, and transcriptional activation can, at the silencer, efficiently repress transcription.

Cell-type-specific transcriptional profiling often requires the isolation of specific cell types from complex tissues. We have developed "TaDa," a technique that enables cell-specific profiling without cell isolation. TaDa permits genome-wide profiling of DNA- or chromatin-binding proteins without cell sorting, fixation, or affinity purification. The method is simple, sensitive, highly reproducible, and transferable to any model system. We show that TaDa can be used to identify transcribed genes in a cell-type-specific manner with considerable temporal precision, enabling the identification of differential gene expression between neuroblasts and the neuroepithelial cells from which they derive. We profile the genome-wide binding of RNA polymerase II in these adjacent, clonally related stem cells within intact Drosophila brains. Our data reveal expression of specific metabolic genes in neuroepithelial cells, but not in neuroblasts, and highlight gene regulatory networks that may pattern neural stem cell fates.

Summary Temporal patterning of neural progenitors is an evolutionarily conserved strategy for generating neuronal diversity. Type II neural stem cells in the Drosophila central brain produce transit-amplifying intermediate neural progenitors (INPs) that exhibit temporal patterning. However, the known temporal factors cannot account for the neuronal diversity in the adult brain. To search for new temporal factors, we developed NanoDam, which enables rapid genome-wide profiling of endogenously-tagged proteins in vivo with a single genetic cross. Mapping the targets of known temporal transcription factors with NanoDam identified Homeobrain and Scarecrow (ARX and NKX2.1 orthologues) as novel temporal factors. We show that Homeobrain and Scarecrow define middle-aged and late INP temporal windows and play a role in cellular longevity. Strikingly, Homeobrain and Scarecrow have conserved functions as temporal factors in the developing visual system. NanoDam enables rapid cell type-specific genome-wide profiling with temporal resolution and can be easily adapted for use in higher organisms.

ABSTRACT The balance between self-renewal and differentiation in human fetal lung epithelial progenitors controls the size and function of the adult organ. Moreover, progenitor cell gene regulation networks are employed by both regenerating and malignant lung cells, where modulators of their effects could potentially be of therapeutic value. Details of the molecular networks controlling human lung progenitor self-renewal remain unknown. We performed the first CRISPRi screen in primary human lung organoids to identify transcription factors controlling progenitor self-renewal. We show that SOX9 promotes proliferation of lung progenitors and inhibits precocious airway differentiation. Moreover, by identifying direct transcriptional targets using Targeted DamID we place SOX9 at the centre of a transcriptional network which amplifies WNT and RTK signalling to stabilise the progenitor cell state. In addition, the proof-of-principle CRISPRi screen and Targeted DamID tools establish a new approach for using primary human organoids to elucidate detailed functional mechanisms underlying normal development and disease. Highlights A pooled CRISPRi screen in human fetal lung organoids identified transcription factors controlling progenitor cell self-renewal. SOX9 promotes tip progenitor cell proliferation and supresses precocious airway differentiation. Targeted DamID (TaDa) identified SOX9 direct binding targets, revealing that SOX9 lies at the intersection of WNT and RTK signalling. SOX9 and ETVs co-regulate the human fetal lung progenitor self-renewal programme.