Abstract The architectural protein Pita is critical for Drosophila embryogenesis and predominantly binds to gene promoters and insulators. In particular, Pita is involved in the organization of boundaries between regulatory domains that controlled the expression of three hox genes in the Bithorax complex (BX-C). The best-characterized partner for Pita is the BTB/POZ-domain containing protein CP190. Using in vitro pull-down analysis, we precisely mapped two unstructured regions of Pita that interact with the BTB domain of CP190. Then we constructed transgenic lines expressing the Pita protein of the wild-type and mutant variants lacking CP190-interacting regions. The expression of the mutant protein completely complemented the null pita mutation. ChIP-seq experiments with wild-type and mutant embryos showed that the deletion of the CP190-interacting regions did not significantly affect the binding of the mutant Pita protein to most chromatin sites. However, the mutant Pita protein does not support the ability of multimerized Pita sites to prevent cross-talk between the iab-6 and iab-7 regulatory domains that activate the expression of Abdominal-B ( Abd-B ), one of the genes in the BX-C. The recruitment of a chimeric protein consisting of the DNA-binding domain of GAL4 and CP190-interacting region of the Pita to the GAL4 binding sites on the polytene chromosomes of larvae induces the formation of a new interband, which is a consequence of the formation of open chromatin in this region. These results suggested that the interaction with CP190 is required for the primary Pita activities, but other architectural proteins may also recruit CP190 in flies expressing only the mutant Pita protein. Author Summary Pita is required for Drosophila development and binds specifically to a long motif in active promoters and insulators. Pita belongs to the Drosophila family of zinc-finger architectural proteins, which also includes Su(Hw) and the conserved among higher eukaryotes CTCF. The architectural proteins maintain the active state of regulatory elements and the long-distance interactions between them. The CP190 protein is recruited to chromatin through interaction with the architectural proteins. Here we mapped two regions in Pita that are required for interaction with the CP190 protein. We have demonstrated that CP190-interacting region of the Pita can maintain nucleosome-free open chromatin and is critical for Pita-mediated enhancer blocking activity. At the same time, interaction with CP190 is not required for the in vivo function of the mutant Pita protein, which binds to the same regions of the genome as the wild-type protein. Unexpectedly, we found that CP190 was still associated with the most of genome regions bound by the mutant Pita protein, which suggested that other architectural proteins were continuing to recruit CP190 to these regions. These results support a model in which the regulatory elements are composed of combinations of binding sites that interact with several architectural proteins with similar functions.

Expression of Abdominal-B ( Abd-B ) in abdominal segments A5 - A8 is controlled by four regulatory domains, iab-5 - iab-8 . Each domain has an initiator element (which sets the activity state), elements that maintain this state and tissue-specific enhancers. To ensure their functional autonomy, each domain is bracketed by boundary elements ( Mcp , Fab-7 , Fab-7 and Fab-8 ). In addition to blocking crosstalk between adjacent regulatory domains, the Fab boundaries must also have bypass activity so the relevant regulatory domains can "jump over" intervening boundaries and activate the Abd-B promoter. In the studies reported here we have investigated the parameters governing bypass activity. We find that the bypass elements in the Fab-7 and Fab-8 boundaries must be located in the regulatory domain that is responsible for driving Abd-B expression. We suggest that bypass activity may also be subject to regulation.Boundaries separating Abd-B regulatory domains block crosstalk between domains and mediate their interactions with Abd-B . The latter function is location but not orientation dependent.

Expression of the three Bithorax complex homeotic genes is orchestrated by nine parasegment-specific regulatory domains. Autonomy of each domain is conferred by boundary elements (insulators). Here, we have used an in situ replacement strategy to reanalyze the sequences required for the functioning of one of the best-characterized fly boundaries, Fab-7. It was initially identified by a deletion, Fab-71, that transformed parasegment (PS) 11 into a duplicate copy of PS12. Fab-71 deleted four nuclease hypersensitive sites, HS*, HS1, HS2, and HS3, located in between the iab-6 and iab-7 regulatory domains. Transgene and P-element excision experiments mapped the boundary to HS*+HS1+HS2, while HS3 was shown to be the iab-7 Polycomb response element (PRE). Recent replacement experiments showed that HS1 is both necessary and sufficient for boundary activity when HS3 is also presented in the replacement construct. Surprisingly, while HS1+HS3 combination has full boundary activity, we discovered that HS1 alone has only minimal function. Moreover, when combined with HS3, only the distal half of HS1, dHS1, is needed. A ~1,000 kD multiprotein complex containing the GAF protein, called the LBC, binds to the dHS1 sequence and we show that mutations in dHS1 that disrupt LBC binding in nuclear extracts eliminate boundary activity and GAF binding in vivo. HS3 has binding sites for GAF and Pho proteins that are required for PRE silencing. In contrast, HS3 boundary activity only requires the GAF binding sites. LBC binding with HS3 in nuclear extracts, and GAF association in vivo depend upon the HS3 GAF sites, but not the Pho sites. Consistent with a role for the LBC in HS3 boundary activity, the boundary function of the dHS1+HS3mPho combination is lost when the flies are heterozygous for a mutation in the GAF gene. Taken together, these results reveal a novel function for the iab-7 PREs in chromosome architecture.

Drosophila bithorax complex (BX-C) is one of the best model systems for studying the role of boundaries (insulators) in gene regulation. Expression of three homeotic genes, Ubx, abd-A, and Abd-B, is orchestrated by nine parasegment-specific regulatory domains. These domains are flanked by boundary elements, which function to block crosstalk between adjacent domains, ensuring that they can act autonomously. Paradoxically, seven of the BX-C regulatory domains are separated from their gene target by at least one boundary, and must “jump over” the intervening boundaries. To understand the jumping mechanism, the Mcp boundary was replaced with Fab-7 and Fab-8. Mcp is located between the iab-4 and iab-5 domains, and defines the border between the set of regulatory domains controlling abd-A and Abd-B. When Mcp is replaced by Fab-7 or Fab-8, they direct the iab-4 domain (which regulates abd-A) to inappropriately activate Abd-B in abdominal segment A4. For the Fab-8 replacement, ectopic induction was only observed when it was inserted in the same orientation as the endogenous Fab-8 boundary. A similar orientation dependence for bypass activity was observed when Fab-7 was replaced by Fab-8. Thus, boundaries perform two opposite functions in the context of BX-C – they block crosstalk between neighboring regulatory domains, but at the same time actively facilitate long distance communication between the regulatory domains and their respective target genes.

Abstract In higher eukaryotes enhancer-promoter interactions are known to be restricted by the chromatin insulators/boundaries that delimit topologically associated domains (TADs); however, there are instances in which enhancer-promoter interactions span one or more boundary elements/TADs. At present, the mechanisms that enable cross-TAD regulatory interaction are not known. In the studies reported here we have taken advantage of the well characterized Drosophila Bithorax complex (BX-C) to study one potential mechanism for controlling boundary function and TAD organization. The regulatory domains of BX-C are flanked by boundaries which function to block crosstalk with their neighboring domains and also to support long distance interactions between the regulatory domains and their target gene. As many lncRNAs have been found in BX-C, we asked whether transcriptional readthrough can impact boundary function. For this purpose, we took advantage of two BX-C boundary replacement platforms, Fab-7 attP50 and F2 attP , in which the Fab-7 and Fub boundaries, respectively, are deleted and replaced with an attP site. We introduced boundary elements, promoters and polyadenylation signals arranged in different combinations and then assayed for boundary function. Our results show that transcriptional readthrough can interfere with boundary activity. Since lncRNAs represent a significant fraction of Pol II transcripts in multicellular eukaryotes, it is possible that many of them may function in the regulation of TAD organization. Author Summary Recent studies have shown that much genome in higher eukaryotes is transcribed into non-protein coding lncRNAs. It is though that lncRNAs may preform important regulatory functions, including the formation of protein complexes, organization of functional interactions between enhancers and promoters and the maintenance of open chromatin. Here we examined how transcription from promoters inserted into the Drosophila Bithorax complex can impact the boundaries that are responsible for establishing independent regulatory domains. Surprisingly, we found that even a relatively low level of transcriptional readthrough can impair boundary function. Transcription also affects the activity of enhancers located in BX-C regulatory domains. Taken together, our results raise the possibility that transcriptional readthrough may be a widely used mechanism to alter chromosome structure and regulate gene expression.

Abstract The homeotic Abdominal-B ( Abd-B ) gene belongs to Bithorax complex and is regulated by four regulatory domains named iab-5, iab-6, iab-7 and iab-8 , each of which is thought to be responsible for directing the expression of Abd-B in one of the abdominal segments from A5 to A8. It is assumed that male specific features of the adult cuticle in A5 is solely dependent on regulatory elements located in iab-5 , while the regulatory elements in the iab-6 are both necessary and sufficient for the proper differentiation of the A6 cuticle. Unexpectedly, we found that this long held assumption is not correct. Instead, redundant tissue-specific enhancers located in the iab-5 domain are required for the proper activation of Abd-B not only in A5 but also in A6. Our study of deletions shows that the iab-5 initiator is essential for the functioning of the iab-5 enhancers in A5, as well as for the correct differentiation of A6. This requirement is circumvented by deletions that remove the initiator and most of the iab-5 regulatory domain sequences. While the remaining iab-5 enhancers are inactive in A5, they are activated in A6 and contribute to the differentiation of this segment. In this case, Abd-B stimulation by the iab-5 enhancers in A6 depends on the initiators in the iab-4 and iab-6 domains. Summary Statement In Drosophila , the segmental-specific expression of the homeotic gene Abdominal-B in the abdominal segments is regulated by autonomous regulatory domains. We demonstrated cooperation between these domains in activation of Abdominal-B .