During development cells become gradually restricted in their differentiation potential by the repression of alternative cell fates. While we know that the Polycomb complex plays a crucial role in this process, it still remains unclear how alternative fate genes are specifically targeted for silencing in different cell lineages. We address this question by studying Ultrabithorax (Ubx), a multi-lineage transcription factor (TF) of the Hox class, in the mesodermal and neuronal lineages using sorted nuclei of Drosophila embryos and by interfering with Ubx in mesodermal cells that have already initiated differentiation. We find that Ubx is a key regulator of lineage development, as its mesoderm-specific depletion leads to the de-repression of many genes normally expressed in other lineages. Ubx silences expression of alternative fate genes by interacting with and retaining the Polycomb Group (PcG) protein Pleiohomeotic (Pho) at Ubx targeted genomic regions, thereby setting repressive chromatin marks in a lineage-dependent manner. In sum, our study demonstrates that Ubx stabilizes lineage choice by suppressing the multi-potency encoded in the genome in a lineage-specific manner via its interaction with Pho. This mechanism may explain why the Hox code is maintained throughout the lifecycle, since it seems to set a block to transdifferentiation in many adult cells.

Hox proteins are major regulators of embryonic development, acting in the nucleus to regulate the expression of their numerous downstream target genes. By analyzing deleted forms of the Drosophila Hox protein Ultrabithorax (Ubx), we revealed the presence of an unconventional Nuclear Export Signal (NES) that overlaps with the highly conserved hexapeptide (HX) motif. This short linear motif was originally described as mediating the interaction with the PBC proteins, a generic and crucial class of Hox transcriptional cofactors in development and cancer. Here we show that the HX motif is involved in the interaction with the major CRM1/Embargoed exportin protein. This novel role was found in several Drosophila and human Hox proteins. We provide evidence that HX-dependent Hox nuclear export is tightly regulated in the Drosophila fat body to control the onset of autophagy. Our results underline the high molecular versatility of a unique short peptide motif for controlling context-dependent activity of Hox proteins at both transcriptional and non-transcriptional levels.

The dual interaction of many transcription factors (TFs) with both DNA and RNA is an underexplored issue that could fundamentally reshape our understanding of gene regulation. We address this central issue by investigating the RNA binding activity of the Drosophila Hox TF Ultrabithorax (Ubx) in alternative splicing and morphogenesis. Relying on molecular and genetic interactions, we uncover a homodimerization-dependent mechanism by which Ubx regulates splicing. Notably, this mechanism enables the decoupling of Ubx-DNA and -RNA binding activity in splicing. We identify a critical residue for Ubx-RNA binding and demonstrate the essential role of Ubx-RNA binding ability for its homeotic functions. Overall, we uncover a unique mechanism for Ubx-mediated splicing and underscore the critical contribution of synergistic DNA/RNA binding for its morphogenetic functions. These findings advance our understanding of co-transcriptional regulation and highlight the significance of TF-DNA/RNA synergistic function in shaping gene regulatory networks in living organisms.

ABSTRACT Transcription Factors (TFs) play a pivotal role in cell fate decision by coordinating distinct gene expression programs. Although most TFs act at the DNA regulatory layer, few TFs can bind RNA and modulate mRNA splicing. Yet, the mechanistic cues underlying TFs function in splicing remain elusive. Focusing on the Drosophila Hox TF Ultrabithorax (Ubx), our work shed light on a novel layer of Ubx function at the RNA level. Transcriptome and genome-wide binding profiles in embryonic mesoderm and Drosophila cells indicate that Ubx regulates mRNA expression and splicing to promote distinct functions in defined cellular contexts. Ubx modulates splicing via its DNA-binding domain, the Homeodomain (HD). Our results demonstrate a new RNA-binding ability of Ubx in cells and in vitro . Notably, the N51 amino acid of the HD, which mediates Ubx-DNA interaction, is non-essential for Ubx-RNA interaction in vitro but is required in vivo . We find that the N51 amino acid is necessary to mediate interaction between Ubx and the active form of the RNA Polymerase II (Pol II S2Phos) in Drosophila cells. By combining molecular and imaging approaches, our results reveal that Ubx mediates elongation-coupled splicing via a dynamic interplay with active Pol II and chromatin binding. Overall, our work uncovered a novel role of the Hox TFs at the mRNA regulatory layer. This could be an essential function for other classes of TFs to control cell diversity.