The prevalent DNA modification in higher organisms is the methylation of cytosine to 5-methylcytosine (5mC), which is partially converted to 5-hydroxymethylcytosine (5hmC) by the Tet (ten eleven translocation) family of dioxygenases. Despite their importance in epigenetic regulation, it is unclear how these cytosine modifications are reversed. Here, we demonstrate that 5mC and 5hmC in DNA are oxidized to 5-carboxylcytosine (5caC) by Tet dioxygenases in vitro and in cultured cells. 5caC is specifically recognized and excised by thymine-DNA glycosylase (TDG). Depletion of TDG in mouse embyronic stem cells leads to accumulation of 5caC to a readily detectable level. These data suggest that oxidation of 5mC by Tet proteins followed by TDG-mediated base excision of 5caC constitutes a pathway for active DNA demethylation.

DNA methylation at the 5 position of cytosine (5mC) in the mammalian genome is a key epigenetic event critical for various cellular processes. The ten-eleven translocation (Tet) family of 5mC-hydroxylases, which convert 5mC to 5-hydroxymethylcytosine (5hmC), offers a way for dynamic regulation of DNA methylation. Here we report that Tet1 binds to unmodified C or 5mC- or 5hmC-modified CpG-rich DNA through its CXXC domain. Genome-wide mapping of Tet1 and 5hmC reveals mechanisms by which Tet1 controls 5hmC and 5mC levels in mouse embryonic stem cells (mESCs). We also uncover a comprehensive gene network influenced by Tet1. Collectively, our data suggest that Tet1 controls DNA methylation both by binding to CpG-rich regions to prevent unwanted DNA methyltransferase activity, and by converting 5mC to 5hmC through hydroxylase activity. This Tet1-mediated antagonism of CpG methylation imparts differential maintenance of DNA methylation status at Tet1 targets, ultimately contributing to mESC differentiation and the onset of embryonic development.

TET proteins oxidize 5-methylcytosine (5mC) to 5-hydroxymethylcytosine (5hmC), 5-formylcytosine (5fC), and 5-carboxylcytosine (5caC). 5fC and 5caC are excised by mammalian DNA glycosylase TDG, implicating 5mC oxidation in DNA demethylation. Here, we show that the genomic locations of 5fC can be determined by coupling chemical reduction with biotin tagging. Genome-wide mapping of 5fC in mouse embryonic stem cells (mESCs) reveals that 5fC preferentially occurs at poised enhancers among other gene regulatory elements. Application to Tdg null mESCs further suggests that 5fC production coordinates with p300 in remodeling epigenetic states of enhancers. This process, which is not influenced by 5hmC, appears to be associated with further oxidation of 5hmC and commitment to demethylation through 5fC. Finally, we resolved 5fC at base resolution by hydroxylamine-based protection from bisulfite-mediated deamination, thereby confirming sites of 5fC accumulation. Our results reveal roles of active 5mC/5hmC oxidation and TDG-mediated demethylation in epigenetic tuning at regulatory elements.

The enzymatic control of the setting and maintenance of symmetric and non-symmetric DNA methylation patterns in a particular genome context is not well understood. Here, we describe a comprehensive analysis of DNA methylation patterns generated by high resolution sequencing of hairpin-bisulfite amplicons of selected single copy genes and repetitive elements (LINE1, B1, IAP-LTR-retrotransposons, and major satellites). The analysis unambiguously identifies a substantial amount of regional incomplete methylation maintenance, i.e. hemimethylated CpG positions, with variant degrees among cell types. Moreover, non-CpG cytosine methylation is confined to ESCs and exclusively catalysed by Dnmt3a and Dnmt3b. This sequence position–, cell type–, and region-dependent non-CpG methylation is strongly linked to neighboring CpG methylation and requires the presence of Dnmt3L. The generation of a comprehensive data set of 146,000 CpG dyads was used to apply and develop parameter estimated hidden Markov models (HMM) to calculate the relative contribution of DNA methyltransferases (Dnmts) for de novo and maintenance DNA methylation. The comparative modelling included wild-type ESCs and mutant ESCs deficient for Dnmt1, Dnmt3a, Dnmt3b, or Dnmt3a/3b, respectively. The HMM analysis identifies a considerable de novo methylation activity for Dnmt1 at certain repetitive elements and single copy sequences. Dnmt3a and Dnmt3b contribute de novo function. However, both enzymes are also essential to maintain symmetrical CpG methylation at distinct repetitive and single copy sequences in ESCs.

The epigenomes of mammalian sperm and oocytes, characterized by gamete-specific 5-methylcytosine (5mC) patterns, are reprogrammed during early embryogenesis to establish full developmental potential. Previous studies have suggested that the paternal genome is actively demethylated in the zygote while the maternal genome undergoes subsequent passive demethylation via DNA replication during cleavage. Active demethylation is known to depend on 5mC oxidation by Tet dioxygenases and excision of oxidized bases by thymine DNA glycosylase (TDG). Here we show that both maternal and paternal genomes undergo widespread active and passive demethylation in zygotes before the first mitotic division. Passive demethylation was blocked by the replication inhibitor aphidicolin, and active demethylation was abrogated by deletion of Tet3 in both pronuclei. At actively demethylated loci, 5mCs were processed to unmodified cytosines. Surprisingly, the demethylation process was unaffected by the deletion of TDG from the zygote, suggesting the existence of other demethylation mechanisms downstream of Tet3-mediated oxidation.

DNA hydroxylation catalyzed by Tet dioxygenases occurs abundantly in embryonic stem cells and neurons in mammals. However, its biological function in vivo is largely unknown. Here, we demonstrate that Tet1 plays an important role in regulating neural progenitor cell proliferation in adult mouse brain. Mice lacking Tet1 exhibit impaired hippocampal neurogenesis accompanied by poor learning and memory. In adult neural progenitor cells deficient in Tet1, a cohort of genes involved in progenitor proliferation were hypermethylated and downregulated. Our results indicate that Tet1 is positively involved in the epigenetic regulation of neural progenitor cell proliferation in the adult brain.

In mammalian cells, DNA methylation critically regulates gene expression and thus has pivotal roles in myriad of physiological and pathological processes. Here we report a novel method for targeted DNA demethylation using the widely used clustered regularly interspaced short palindromic repeat (CRISPR)-Cas system. Initially, modified single guide RNAs (sgRNAs) (sgRNA2.0) were constructed by inserting two copies of bacteriophage MS2 RNA elements into the conventional sgRNAs, which would facilitate the tethering of the Tet1 catalytic domain (Tet-CD), in fusion with dCas9 or MS2 coat proteins, to the targeted gene loci. Subsequently, such system was shown to significantly upregulate transcription of the target genes, including RANKL, MAGEB2 or MMP2, which was in close correlation to DNA demethylation of their neighboring CpGs in the promoters. In addition, the dCas9/sgRNA2.0-directed demethylation system appeared to afford efficient demethylation of the target genes with tenuous off-target effects. Applications of this system would not only help us understand mechanistically how DNA methylation might regulate gene expression in specific contexts, but also enable control of gene expression and functionality with potential clinical benefits.