ABSTRACT Morphogen gradients direct the spatial patterning of developing embryos, however, the mechanisms by which these gradients are interpreted remain elusive. Here we perform in vivo single molecule imaging in early Drosophila melanogaster embryos of the transcription factor Bicoid that forms a gradient and initiates patterning along the anteroposterior axis. We observe that Bicoid binds to DNA with a rapid off-rate, such that its average occupancy at target loci is on-rate dependent, a property required for concentration-sensitive regulation. Surprisingly, we also observe abundant specific DNA binding in posterior nuclei, where Bicoid levels are vanishingly low. Live embryo imaging reveals spatiotemporal “hubs” of local high Bicoid concentration that are dependent on the ubiquitous maternal factor Zelda. We propose that localized modulation of transcription factor on-rates via clustering, provides a general mechanism to facilitate binding to low-affinity targets, and that this may be a prevalent feature directing other developmental transcription networks.

The maternally deposited transcription factor Zelda binds to and is required for the activation of a large number of genes in early Drosophila development, and has been suggested to act as a pioneer factor. In this study, we investigated the temporal dynamics of Zelda binding along with the maternal patterning factors Dorsal and Caudal during early embryogenesis. We found in regions bound by Zelda and either Dorsal or Caudal, Zelda binding was detected, and reached maximum levels, earlier than Caudal and Dorsal, providing support of its role as a pioneer factor. We found that Dorsal and Caudal binding correlated strongly with Zelda binding at mitotic cycle 12, suggesting that Zelda is important for early binding by these factors and early onset of their target gene expression. At the same time, we show that among Dorsal target enhancers, the dorsal and ventral ectoderm enhancers are much more strongly associated with Zelda than mesoderm enhancers, revealing an additional function of Zelda in coordinating spatial activity of enhancers. We have also investigated the role of Zelda on chromatin structure. We found that in early embryos, before Dorsal and Caudal are bound at significant levels, Zelda binding is associated with histone acetylation and local histone depletion. These chromatin associated changes accompanied with increased local chromatin accessibility were also detected around Zelda peaks in coding sequences that do not appear to play a role in subsequent transcription factor binding. These findings suggest that Zelda binding itself can lead to chromatin structural changes. Finally, we found that Zelda motifs, both bound and unbound, tend to be associated with positioned nucleosomes, which we suggest may be important for the regulatory specificity of enhancers.

A conspicuous feature of early animal development is the lack of transcription from the embryonic genome, and it typically takes several hours to several days (depending on the species) until widespread transcription of the embryonic genome begins. Although this transition is ubiquitous, relatively little is known about how the shift from a transcriptionally quiescent to transcriptionally active genome is controlled. We describe here the genome-wide distributions and temporal dynamics of nucleosomes and post-translational histone modifications through the maternal-to-zygotic transition in embryos of the pomace fly Drosophila melanogaster. At mitotic cycle 8, when few zygotic genes are being transcribed, embryonic chromatin is in a relatively simple state: there are few nucleosome free regions, undetectable levels of the histone methylation marks characteristic of mature chromatin, and low levels of histone acetylation at a relatively small number of loci. Histone acetylation increases by cycle 11, but it is not until cycle 13 that nucleosome free regions and domains of histone methylation become widespread. Early histone acetylation is strongly associated with regions that we have previously shown are bound in early embryos by the maternally deposited transcription factor Zelda. Most of these Zelda-bound regions are destined to be enhancers or promoters active during mitotic cycle 14, and our data demonstrate that they are biochemically distinct long before they become active, raising the possibility that Zelda triggers a cascade of events, including the accumulation of specific histone modifications, that plays a role in the subsequent activation of these sequences. Many of these Zelda-associated active regions occur in larger domains that we find strongly enriched for histone marks characteristic of Polycomb-mediated repression, suggesting a dynamic balance between Zelda activation and Polycomb repression. Collectively, these data paint a complex picture of a genome in transition from a quiescent to an active state, and highlight the role of Zelda in mediating this transition.

The three-dimensional configuration of the genome ensures cell-type-specific gene expression profiles by placing genes and regulatory elements in close spatial proximity. Here, we revealed the distinct features of the chromatin architecture in female germline stem cells (FGSCs) by in situ high-throughput chromosome conformation analysis. We also showed that the X chromosome structures were similar in spermatogonial stem cells and FGSCs. Using integrative analysis of the three-dimensional chromatin structure, we observed that the TADs were attenuated in germinal vesicle oocytes and disappeared in metaphase II oocytes during FGSC development. Finally, we identified conserved compartments belonging to the paternal/maternal genomes during early embryonic development, which were related to imprinted genes. These results will provide a valuable resource for studying and further our understanding of the fundamental characteristics of oogenesis and early embryo development.

Fate determination of germline stem cells remains poorly understood at the chromatin structure level1,2. Here, we demonstrate successful production of offspring from oocytes transdifferentiated from mouse spermatogonial stem cells (SSCs) with tracking of transplanted SSCs in vivo, single cell whole exome sequencing, and in 3D cell culture reconstitution of the process of oogenesis derived from SSCs. Furthermore, we demonstrate direct induction of germline stem cells (iGSCs) differentiated into functional oocytes by transduction of H19, Stella, and Zfp57 and inactivation of Plzf in SSCs after screening with ovarian organoids. Using high throughput chromosome conformation, we uncovered extensive chromatin reorganization during SSC conversion into iGSCs, which was highly similar to female germline stem cells. We observed that although topologically associating domains were stable during SSC conversion, chromatin interactions changed in a striking manner, altering 35% of inactive and active chromosomal compartments throughout the genome. These findings have important implications in various areas including mammalian gametogenesis, genetic and epigenetic reprogramming, biotechnology, and medicine.