In conjunction with histone modifications, DNA methylation plays critical roles in gene silencing through chromatin remodeling. Changes in DNA methylation perturb neuronal function, and mutations in a methyl-CpG–binding protein, MeCP2, are associated with Rett syndrome. We report that increased synthesis of brain-derived neurotrophic factor (BDNF) in neurons after depolarization correlates with a decrease in CpG methylation within the regulatory region of the Bdnf gene. Moreover, increased Bdnf transcription involves dissociation of the MeCP2–histone deacetylase–mSin3A repression complex from its promoter. Our findings suggest that DNA methylation–related chromatin remodeling is important for activity-dependent gene regulation that may be critical for neural plasticity.

Mammalian DNA methylation is a critical epigenetic mechanism orchestrating gene expression networks in many biological processes. However, investigation of the functions of specific methylation events remains challenging. Here, we demonstrate that fusion of Tet1 or Dnmt3a with a catalytically inactive Cas9 (dCas9) enables targeted DNA methylation editing. Targeting of the dCas9-Tet1 or -Dnmt3a fusion protein to methylated or unmethylated promoter sequences caused activation or silencing, respectively, of an endogenous reporter. Targeted demethylation of the BDNF promoter IV or the MyoD distal enhancer by dCas9-Tet1 induced BDNF expression in post-mitotic neurons or activated MyoD facilitating reprogramming of fibroblasts into myoblasts, respectively. Targeted de novo methylation of a CTCF loop anchor site by dCas9-Dnmt3a blocked CTCF binding and interfered with DNA looping, causing altered gene expression in the neighboring loop. Finally, we show that these tools can edit DNA methylation in mice, demonstrating their wide utility for functional studies of epigenetic regulation.

The modified DNA base 5-hydroxymethylcytosine (5hmC), sometimes called the sixth base, is present in the mammalian genome where it is generated by oxidation of 5-methylcytosine (5mC; the fifth base) by enzymes of the Tet family. Four papers in this issue, from the Helin, Zhang, Rao and Reik laboratories, respectively, report on the genome-wide distribution of Tet1 and/or 5hmC in mouse embryonic stem cells using the ChIP-seq technique. Links between Tet1 and transcription regulation — both activation and repression — are revealed. Anjana Rao and colleagues also describe two alternative methods with increased sensitivity for mapping single 5hmC bases. In the associated News & Views, Nathalie Véron and Antoine H. F. M. Peters discuss what these and other recent papers reveal about the role of Tet proteins in regulating DNA methylation and gene expression. Epigenetic modification of the mammalian genome by DNA methylation (5-methylcytosine) has a profound impact on chromatin structure, gene expression and maintenance of cellular identity1. The recent demonstration that members of the Ten-eleven translocation (Tet) family of proteins can convert 5-methylcytosine to 5-hydroxymethylcytosine raised the possibility that Tet proteins are capable of establishing a distinct epigenetic state2,3. We have recently demonstrated that Tet1 is specifically expressed in murine embryonic stem (ES) cells and is required for ES cell maintenance2. Using chromatin immunoprecipitation coupled with high-throughput DNA sequencing, here we show in mouse ES cells that Tet1 is preferentially bound to CpG-rich sequences at promoters of both transcriptionally active and Polycomb-repressed genes. Despite an increase in levels of DNA methylation at many Tet1-binding sites, Tet1 depletion does not lead to downregulation of all the Tet1 targets. Interestingly, although Tet1-mediated promoter hypomethylation is required for maintaining the expression of a group of transcriptionally active genes, it is also involved in repression of Polycomb-targeted developmental regulators. Tet1 contributes to silencing of this group of genes by facilitating recruitment of PRC2 to CpG-rich gene promoters. Thus, our study not only establishes a role for Tet1 in modulating DNA methylation levels at CpG-rich promoters, but also reveals a dual function of Tet1 in promoting transcription of pluripotency factors as well as participating in the repression of Polycomb-targeted developmental regulators.

Location, Location, Location The genome receives epigenetic marks throughout development that regulate the activity of multiple genes. One such mark is methylation, which usually represses gene transcription. Methylation has generally been studied in the promoters of genes, where many regulatory signals coordinate to control the expression of the gene. Studying neural stem cells from mice, Wu et al. (p. 444 ) now show that DNA methylation can be a double-edged sword. Although methylation of DNA sequences in promoters tends to be repressive, methylation of DNA sequences beyond the promoters can actually promote gene expression. Analysis of the methyltransferase Dnmt3a in mouse neural stem cells revealed that methylations around neurogenic genes—but outside their promoters—maintained the activity of these genes.

Extinction of conditioned fear is an important model both of inhibitory learning and of behavior therapy for human anxiety disorders. Like other forms of learning, extinction learning is long-lasting and depends on regulated gene expression. Epigenetic mechanisms make an important contribution to persistent changes in gene expression; therefore, in these studies, we have investigated whether epigenetic regulation of gene expression contributes to fear extinction. Since brain-derived neurotrophic factor (BDNF) is crucial for synaptic plasticity and for the maintenance of long-term memory, we examined histone modifications around two BDNF gene promoters after extinction of cued fear, as potential targets of learning-induced epigenetic regulation of gene expression. Valproic acid (VPA), used for some time as an anticonvulsant and a mood stabilizer, modulates the expression of BDNF, and is a histone deacetylase (HDAC) inhibitor. Here, we report that extinction of conditioned fear is accompanied by a significant increase in histone H4 acetylation around the BDNF P4 gene promoter and increases in BDNF exon I and IV mRNA expression in prefrontal cortex, that VPA enhances long-term memory for extinction because of its HDAC inhibitor effects, and that VPA potentiates the effect of weak extinction training on histone H4 acetylation around both the BDNF P1 and P4 gene promoters and on BDNF exon IV mRNA expression. These results suggest a relationship between histone H4 modification, epigenetic regulation of BDNF gene expression, and long-term memory for extinction of conditioned fear. In addition, they suggest that HDAC inhibitors may become a useful pharmacological adjunct to psychotherapy for human anxiety disorders.

Recent studies have demonstrated that the Ten-eleven translocation (Tet) family proteins can enzymatically convert 5-methylcytosine (5mC) to 5-hydroxymethylcytosine (5hmC). While 5mC has been studied extensively, little is known about the distribution and function of 5hmC. Here we present a genome-wide profile of 5hmC in mouse embryonic stem (ES) cells. A combined analysis of global 5hmC distribution and gene expression profile in wild-type and Tet1-depleted ES cells suggests that 5hmC is enriched at both gene bodies of actively transcribed genes and extended promoter regions of Polycomb-repressed developmental regulators. Thus, our study reveals the first genome-wide 5hmC distribution in pluripotent stem cells, and supports its dual function in regulating gene expression.

DNA methylation is a major epigenetic factor that has been postulated to regulate cell lineage differentiation. We report here that conditional gene deletion of the maintenance DNA methyltransferase I (Dnmt1) in neural progenitor cells (NPCs) results in DNA hypomethylation and precocious astroglial differentiation. The developmentally regulated demethylation of astrocyte marker genes as well as genes encoding the crucial components of the gliogenic JAK-STAT pathway is accelerated in Dnmt1–/– NPCs. Through a chromatin remodeling process, demethylation of genes in the JAK-STAT pathway leads to an enhanced activation of STATs, which in turn triggers astrocyte differentiation. Our study suggests that during the neurogenic period, DNA methylation inhibits not only astroglial marker genes but also genes that are essential for JAK-STAT signaling. Thus, demethylation of these two groups of genes and subsequent elevation of STAT activity are key mechanisms that control the timing and magnitude of astroglial differentiation.

During development of the CNS, neurons and glia are generated in a sequential manner. The mechanism underlying the later onset of gliogenesis is poorly understood, although the cytokine-induced Jak-STAT pathway has been postulated to regulate astrogliogenesis. Here, we report that the overall activity of Jak-STAT signaling is dynamically regulated in mouse cortical germinal zone during development. As such, activated STAT1/3 and STAT-mediated transcription are negligible at early, neurogenic stages, when neurogenic factors are highly expressed. At later, gliogenic periods, decreased expression of neurogenic factors causes robust elevation of STAT activity. Our data demonstrate a positive autoregulatory loop whereby STAT1/3 directly induces the expression of various components of the Jak-STAT pathway to strengthen STAT signaling and trigger astrogliogenesis. Forced activation of Jak-STAT signaling leads to precocious astrogliogenesis, and inhibition of this pathway blocks astrocyte differentiation. These observations suggest that autoregulation of the Jak-STAT pathway controls the onset of astrogliogenesis.

ABSTRACT Oxidative modification of 5-methylcytosine (5mC) generates 5-hydroxymethylcytosine (5hmC), a DNA modification that exhibits unique epigenetic regulatory functions and impacts diverse biological processes. However, standard single-nucleus/cell bisulfite sequencing methods cannot resolve the base ambiguity between 5mC and 5hmC to accurately measure cell-type specific epigenomic patterns and gene regulatory functions of 5hmC or true 5mC. Here, we develop single-nucleus 5hmC sequencing (snhmC-seq) for quantitative and unbiased 5hmC profiling in single cells by harnessing differential deaminase activity of APOBEC3A towards 5mC and chemically protected 5hmC. We used snhmC-seq to profile single nuclei from cryopreserved mouse brain samples to reveal epigenetic heterogeneity of 5hmC at single-cell resolution and uncovered a non-canonical gene regulatory role of genic 5hmC in non-CG context.

ABSTRACT Prolonged stress exposure is a major risk factor for the development of depression and comorbid anxiety. Efforts to understand how recurrent stress induces behavioral maladaptation have largely concentrated on the neuronal synapse with limited understanding of the underlying epigenetic mechanisms. Here, we performed complementary bulk nuclei- and single-nucleus transcriptome profiling and mapped fine-scale chromatin architecture in mice subjected to chronic unpredictable stress (CUS) to identify the cell type-specific epigenetic alterations that drive complex behavior. We find that neocortical excitatory neurons are particularly vulnerable to chronic stress and acquire signatures of transcription and chromatin configuration that denote reduced neuronal activity and expression of Yin Yang 1 (YY1). Selective ablation of YY1 in excitatory neurons of the prefrontal cortex (PFC) enhances stress sensitivity in mice, inducing depressive- and anxiety-related behaviors and deregulating the expression of stress-associated genes following an abbreviated stress exposure. Notably, we find that loss of YY1 in PFC excitatory neurons provokes more maladaptive behaviors in stressed females than males. These findings demonstrate how chronic stress provokes maladaptive behavior by epigenetically shaping excitatory neurons in the PFC, identifying a novel molecular target for therapeutic treatment of stress-related mood and anxiety disorders.