Eukaryotic gene regulation relies on the binding of sequence-specific transcription factors (TFs). TFs bind chromatin transiently yet occupy their target sites by forming high-local concentration microenvironments (hubs and condensates) that increase the frequency of binding events. Despite their ubiquity, such microenvironments have been difficult to study in endogenous contexts due to technical limitations. Here, we overcome these limitations and investigate how hubs drive TF occupancy at their targets. Using a DNA binding perturbation to a hub-forming TF, Zelda, in Drosophila embryos, we find that hub properties, including the stability and frequencies of associations to targets, are key determinants of TF occupancy. Our data suggest that the targeting of these hubs is driven not just by specific DNA motif recognition, but also by a fine-tuned kinetic balance of interactions between TFs and their co-binding partners.

Abstract/Summary The eukaryotic genome is organized to enable the precise regulation of gene expression required for development. This organization is established during early development when the embryo transitions from a fertilized germ cell to the totipotent zygote. To understand the factors and processes that drive genomic organization, we focused on the pioneer factor GAGA factor (GAF) that is required for early embryonic development in Drosophila. GAF transcriptionally activates the zygotic genome and is localized to subnuclear foci. We show that this non-uniform distribution is driven by binding to the highly abundant GA-satellite repeats. At GA-repeats, GAF is necessary to form heterochromatin and silence transcription. Thus, GAF is required to establish both active and silent regions. We propose that foci formation enables GAF to have opposing transcriptional roles within a single nucleus. Our data support a model in which modulation of the subnuclear concentration of transcription factors acts to organize the nucleus into functionally distinct domains that are essential for the robust regulation of gene expression.