Interplay between chromatin and transcription factors drives pituitary cell fate specification

Complex organisms begin as a single undifferentiated cell, the zygote, which derives a multitude of highly specialized cell types through sequential rounds of differentiation. Cell fate specification is the fundamental process by which cells engage towards specialization. Cell fate transitions during normal development are poorly understood. My work focused on the role of pioneer factors during differentiation. These transcription factors find their target sites even concealed in closed chromatin leading to chromatin opening and binding of nonpioneer transcription factors.We first studied pioneer driven cell differentiation of two pituitary lineages, melanotropes and corticotropes, that both express the pro-opiomelanocortin (POMC) gene. We showed that Pax7 pioneer action drives melanotrope specification in vivo by opening a new enhancer repertoire. We uncovered pioneer action dynamics using an engineered inducible Pax7. Pax7 can locate its target rapidly (less than 30 minutes) but initially binds weakly. Then, Pax7 binds strongly in less than 24h while chromatin opening is slow and progressive over more than three days. Following Pax7 withdrawal, long-term memory of pioneer action is associated with loss of DNA methylation.We then, investigated the role of nonpioneers during pioneer driven chromatin opening. The typical model of pioneer factor action assumes that nonpioneers are passive in this process and that they opportunistically bind newly accessible chromatin, yet this was never tested. The pioneer factor Pax7 acts as the specifying factor for melanotropes fate while the nonpioneer Tpit acts as the determining factor of both melanotropes and corticotropes. Chromatin accessibility is affected in Pax7 or Tpit deficient mice; they are required for the opening of their cognate program. Strikingly, in the absence of Tpit, Pax7 fails to drive melanotrope chromatin opening. Ectopically expressed Pax7 confirmed that Pax7 bind closed chromatin regardless of Tpit expression while Tpit is unable to bind closed chromatin in absence of Pax7. However, in the absence of Tpit, Pax7 does not open chromatin. In summary, we propose that cooperation between a pioneer factor and a nonpioneer factor drives lineage specific chromatin opening.Tous les organismes multicellulaires débutent par le zygote, une cellule non différenciée qui dans le développement embryonnaire se différencie en multiples types cellulaires spécialisés. La spécification du destin cellulaire est un processus fondamental par lequel la cellule s'engage en différenciation. Les transitions de destin cellulaire durant le développement sont mal comprises. Mon travail s'est concentré sur le rôle des facteurs pionniers durant la différenciation. Ces facteurs sont capables de trouver leurs cibles même lorsque l'ADN est inaccessible dans de la chromatine fermée et permettent l'ouverture de la chromatine et la liaison de facteurs non-pionniers.D'abord, nous avons étudié l'implication de l'action pionnière lors de la différenciation de deux lignées hypophysaires, les mélanotropes et les corticotropes, qui expriment toute deux le gène de la pro-opiomelanocortine. Nous avons montré que l'action pionnière de Pax7 dirige la spécification des mélanotropes in vivo en ouvrant un nouveau répertoire d'enhancers. Nous avons découvert la dynamique de l'action pionnière à l'aide d'une version inductible de Pax7. Pax7 trouve ses cibles rapidement (moins de 30 minutes) mais initialement les lie faiblement. Pax7 est ensuite stabilisé sur ses sites en moins de 24h alors que l'ouverture de la chromatine est lente et progressive sur plus de trois jours. Après retrait de Pax7, l'action pionnière de Pax7 est stable et associées à une perte de la méthylation de l'ADN.Nous avons ensuite étudié le rôle des facteurs non-pionniers dans l'ouverture de la chromatine dépendante des facteurs pionniers. Le modèle classique de l'action pionnière présume que les non-pionniers sont passifs dans le processus et lient la chromatine nouvellement accessible de manière opportuniste, mais cela n'a jamais été testé. Le facteur pionnier Pax7 agi comme spécificateur du destin mélanotrope alors que le facteur non pionnier Tpit agi comme facteur de détermination pour les mélanotropes et les corticotropes. L'accessibilité de la chromatine est affectée dans les souris déficientes pour Pax7 ou Tpit, chacun est requis pour l'ouverture de son programme respectif. De manière remarquable, Pax7 ne déclenche pas l'ouverture de ses régions cibles en l'absence de Tpit. L'expression ectopique de Pax7 en présence/absence de Tpit confirme que Pax7 lie de manière stable la chromatine fermée en présence/absence de Tpit alors que Tpit ne lie pas la chromatine fermée en l'absence de Pax7. En revanche, en l'absence de Tpit, la liaison de Pax7 ne permet pas l'ouverture de la chromatine. Nous proposons qu'une coopération entre pionniers et non-pionniers permet l'ouverture de la chromatine

HOX13-dependent chromatin accessibility underlies the transition towards the digit development program

Hox genes encode transcription factors (TFs) that establish morphological diversity in the developing embryo. The similar DNA-binding motifs of the various HOX TFs contrast with the wide-range of HOX-dependent genetic programs. The influence of the chromatin context on HOX binding specificity remains elusive. Here, we used the developing limb as a model system to compare the binding specificity of HOXA13 and HOXD13 (HOX13 hereafter), which are required for digit formation, and HOXA11, involved in forearm/leg development. We find that upon ectopic expression in distal limb buds, HOXA11 binds sites normally HOX13-specific. Importantly, these sites are loci whose chromatin accessibility relies on HOX13. Moreover, we show that chromatin accessibility specific to the distal limb requires HOX13 function. Based on these results, we propose that HOX13 TFs pioneer the distal limb-specific chromatin accessibility landscape for the proper implementation of the distal limb developmental program

Sequential and directional insulation by conserved CTCF sites underlies the Hox timer in stembryos

During development, Hox genes are temporally activated according to their relative positions on their clusters, contributing to the proper identities of structures along the rostrocaudal axis. To understand the mechanism underlying this Hox timer, we used mouse embryonic stem cell-derived stembryos. Following Wnt signaling, the process involves transcriptional initiation at the anterior part of the cluster and a concomitant loading of cohesin complexes enriched on the transcribed DNA segments, that is, with an asymmetric distribution favoring the anterior part of the cluster. Chromatin extrusion then occurs with successively more posterior CTCF sites acting as transient insulators, thus generating a progressive time delay in the activation of more posterior-located genes due to long-range contacts with a flanking topologically associating domain. Mutant stembryos support this model and reveal that the presence of evolutionary conserved and regularly spaced intergenic CTCF sites controls the precision and the pace of this temporal mechanism.</p