How do Hox transcription factors find their target genes in the nucleus of living cells?

Comment les facteurs de transcription Hox trouvent-ils leurs cibles dans le noyau des cellules vivantes ?

Growth and Development, Biozentrum University of Basel, Klingelbergstrasse 70, 4056 Basel, Switzerland

Corresponding author: Walter J. Gehring, walter.gehring@unibas.ch

Received: 11 January 2011

Abstract

Homeotic mutations first found in Drosophila led to the identification of Hox genes in all bilateria. These genes are exceptional in that they are arranged in an ordered cluster, in which they are positioned in the same order along the chromosome as they are expressed along the antero-posterior axis to specify the corresponding body regions. They share a highly conserved DNA sequence of 180 bp, the homeobox which encodes the homeodomain, a 60 amino acid polypeptide involved in specific DNA and RNA binding and in protein-protein interactions. The discovery of the homeobox has uncovered for the first time a universal principle of specification of the body plan along the antero-posterior axis. The structure of the homeodomain has been determined by NMR spectroscopy and by X-ray crystallography. However, the mechanism by which the Hox proteins find their target genes in the nucleus of a living cell has been enigmatic. Transcriptome analysis indicates that there are hundreds of target genes to be regulated, both positively and negatively to ensure normal development. In the following, we show by Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS) and single molecule imaging in live salivary gland cells, that the mechanism of recognition is purely stochastic. The homeodomain associates and dissociates rapidly (in the ms range) with chromatin all along the chromosomes. If, however, it associates with a specific binding site in a puffed chromosome region, it remains bound for seconds or minutes to exert its function, by forming a complex with co-activators or co-repressors respectively. These direct measurements solve an old enigma of how Hox transcription factors find their target genes in the nucleus of live cells.

Résumé

La découverte des mutations homéotiques chez la drosophile a mené l’identification des gènes Hox chez tous les animaux bilatériens. La particularité de ces gènes tient à leur organisation en cluster au sein duquel leur ordre sur le chromosome est identique à celui de leur expression le long de l’axe antéro-postérieur, où ils déterminent l’identité des différentes parties du corps. Les gènes Hox partagent une séquence d’ADN hautement conservée de 180 pb, l’homéoboîte, qui code l’homéodomaine, un polypeptide de 60 acides aminés capable non seulement de se lier spécifiquement à l’ADN et à l’ARN, mais aussi d’interagir avec d’autres protéines. La découverte de l’homéoboîte a revélé un principe universel de spécification de l’identité cellulaire le long de l’axe antéro-postérieur. Bien que la structure de l’homéodomaine ait été résolue par spectroscopie RMN et par cristallographie aux rayons X, le mécanisme permettant aux protéines Hox de trouver leurs gènes cibles dans le noyau cellulaire restait inconnu jusqu’ici. L’analyse du transcriptome indique que l’expression de centaines de gènes est modulée au cours du développement. En combinant la spectroscopie de corrélation de fluorescence (FCS) et l’imagerie moléculaire in vivo dans les cellules de glandes salivaires, nous avons pu montrer que le mécanisme de reconnaissance est aléatoire dans un premier temps : l’homéodomaine s’associe et se dissocie rapidement (le processus est de l’ordre de la milliseconde) avec la chromatine tout au long des chromosomes. Par contre, lorsqu’il atteint un site de liaison spécifique dans une région où la transcription est active (région puff), il reste lié à l’ADN pendant plusieurs secondes, voire plusieurs minutes, afin d’exercer sa fonction en formant un complexe avec des co-activateurs ou des co-répresseurs, selon le cas. Ces mesures effectuées directement dans les cellules vivantes permettent de répondre à une vieille interrogation : comment les facteurs de transcription Hox trouvent-ils leurs gènes cibles ?