A method is described for localizing DNA sequences hybridized in situ to Drosophila polytene chromosomes. This procedure utilizes a biotin-labeled analog of TTP that can be incorporated enzymatically into DNA probes by nick-translation. After hybridization in situ, the biotin molecules in the probe serve as antigens which bind affinity-purified rabbit antibiotin antibodies. The site of hybridization is then detected either fluorimetrically, by using fluorescein-labeled goat anti-rabbit IgG, or cytochemically, by using an anti-rabbit IgG antibody conjugated to horseradish peroxidase. When combined with Giemsa staining, the immunoperoxidase detection method provides a permanent record that is suitable for detailed cytogenetic analysis. This immunological approach offers four advantages over conventional autoradiographic procedures for detecting in situ hybrids: (i) the time required to determine the site of hybridization is decreased markedly, (ii) biotin-labeled probes are chemically stable and give reproducible results for many months; (iii) biotin-labeled probes appear to produce less background noise than do radiolabeled probes; and (iv) the resolving power is equal to and often greater than that achieved autoradiographically.

It is widely assumed that the key rate-limiting step in gene activation is the recruitment of RNA polymerase II (Pol II) to the core promoter. Although there are well-documented examples in which Pol II is recruited to a gene but stalls, a general role for Pol II stalling in development has not been established. We have carried out comprehensive Pol II chromatin immunoprecipitation microarray (ChIP-chip) assays in Drosophila embryos and identified three distinct Pol II binding behaviors: active (uniform binding across the entire transcription unit), no binding, and stalled (binding at the transcription start site). The notable feature of the approximately 10% genes that are stalled is that they are highly enriched for developmental control genes, which are either repressed or poised for activation during later stages of embryogenesis. We propose that Pol II stalling facilitates rapid temporal and spatial changes in gene activity during development.

Transcription is episodic, consisting of a series of discontinuous bursts. Using live-imaging methods and quantitative analysis, we examine transcriptional bursting in living Drosophila embryos. Different developmental enhancers positioned downstream of synthetic reporter genes produce transcriptional bursts with similar amplitudes and duration but generate very different bursting frequencies, with strong enhancers producing more bursts than weak enhancers. Insertion of an insulator reduces the number of bursts and the corresponding level of gene expression, suggesting that enhancer regulation of bursting frequency is a key parameter of gene control in development. We also show that linked reporter genes exhibit coordinated bursting profiles when regulated by a shared enhancer, challenging conventional models of enhancer-promoter looping.

A major challenge in interpreting genome sequences is understanding how the genome encodes the information that specifies when and where a gene will be expressed. The first step in this process is the identification of regions of the genome that contain regulatory information. In higher eukaryotes, this cis-regulatory information is organized into modular units [cis-regulatory modules (CRMs)] of a few hundred base pairs. A common feature of these cis-regulatory modules is the presence of multiple binding sites for multiple transcription factors. Here, we evaluate the extent to which the tendency for transcription factor binding sites to be clustered can be used as the basis for the computational identification of cis-regulatory modules. By using published DNA binding specificity data for five transcription factors active in the early Drosophila embryo, we identified genomic regions containing unusually high concentrations of predicted binding sites for these factors. A significant fraction of these binding site clusters overlap known CRMs that are regulated by these factors. In addition, many of the remaining clusters are adjacent to genes expressed in a pattern characteristic of genes regulated by these factors. We tested one of the newly identified clusters, mapping upstream of the gap gene giant (gt) , and show that it acts as an enhancer that recapitulates the posterior expression pattern of gt.

In an effort to determine how crude gradients of transcriptional activators and repressors specify sharp stripes of gene expression in the early embryo, we have conducted a detailed study of even-skipped (eve) stripe 2. A combination of promoter fusions and P-transformation assays were used to show that a 480 bp region of the eve promoter is both necessary and sufficient to direct a stripe of LacZ expression within the limits of the endogenous eve stripe 2. The maternal morphogen bicoid (bcd) and the gap proteins hunchback (hb), Kruppel (Kr) and giant (gt) all bind with high affinity to closely linked sites within this small promoter element. Activation appears to depend on cooperative interactions among bcd and hb proteins, since disrupting single binding sites cause catastrophic reductions in expression. gt is directly involved in the formation of the anterior border, although additional repressors may participate in this process. Forming the posterior border of the stripe involves a delicate balance between limiting amounts of the bcd activator and the Kr repressor. We propose that the clustering of activator and repressor binding sites in the stripe 2 element is required to bring these weakly interacting regulatory factors into close apposition so that they can function both cooperatively and synergistically to control transcription.

On the basis of homeo box cross-homology we have isolated the pair-rule gene even-skipped (eve) of Drosophila. The eve transcription unit appears to be less than 1.5 kb in length, and encodes a single mRNA of approximately 1.4 kb. The nucleotide sequence of genomic and cDNA clones indicates that the eve protein is composed of 376 amino acid residues, and that its homeo domain shares only approximately 50% amino acid identity with the homeo domains of previously characterized genes. Using antibodies raised against a beta-galactosidase fusion protein we show that the eve protein is distributed in a series of seven transverse stripes at the cellular blastoderm stage, and is localized primarily within the nuclear regions of those embryonic cells that express the gene. After gastrulation, seven weakly stained stripes of eve expression appear, resulting in a transient pattern that consists of a total of 14 evenly spaced stripes. Both the original and new stripes gradually disappear during germ band elongation. A second expression pattern emerges during neurogenesis, whereby eve protein is detected in discrete subsets of neurons in each of the ventral ganglia.

The maternal morphogen dorsal (dl) plays a key role in the establishment of dorsal-ventral polarity in Drosophila. We present evidence that the graded distribution of dl protein is initiated by selective nuclear transport. The dl protein is uniformly distributed throughout the cytoplasm of early embryos, but approximately 90 min after fertilization, dl protein present in ventral but not dorsal regions is selectively transported to the nucleus. Mutations in maternally active genes that regulate dl disrupt this transport process, resulting in an inactive, cytoplasmically localized form of the dl protein. Selective nuclear transport of dl protein was reproduced in tissue culture cells. The wild-type dl protein is largely restricted to the cytoplasm, while truncated proteins are predominantly localized within the nucleus. Transient cotransfection assays suggest that dl activates expression from several promoters in an apparently sequence-independent manner. We discuss the role of nuclear transport as a regulated process in gene expression and development.