Vitamin C is a direct regulator of Tet enzyme activity and DNA methylation fidelity in mouse ES cells; addition of vitamin C promotes Tet activity, increases 5-hydroxymethlycytosine (5hmC) and DNA demethylation of many gene promoters, upregulates demethylated germline genes, and induces a state that more closely approximates that of the inner cell mass of the blastocyst. The Tet enzymes regulate DNA methylation by converting 5-methylcytosine (5mC) to 5-hydroxymethylcytosine (5hmC) and other oxidized variants. Here vitamin C, a cofactor of enzymes of the same family as the Tets, is shown to be a direct regulator of Tet activity in mouse embryonic stem cells, which are typically cultured in the absence of vitamin C. Addition of vitamin C to the culture medium leads to increased 5hmC content and the demethylation of numerous gene promoters. The remodelled DNA methylation and gene expression patterns resemble the DNA demethylation that occurs in the inner cell mass of the early embryo. DNA methylation is a heritable epigenetic modification involved in gene silencing, imprinting, and the suppression of retrotransposons1. Global DNA demethylation occurs in the early embryo and the germ line2,3, and may be mediated by Tet (ten eleven translocation) enzymes4,5,6, which convert 5-methylcytosine (5mC) to 5-hydroxymethylcytosine (5hmC)7. Tet enzymes have been studied extensively in mouse embryonic stem (ES) cells8,9,10,11,12, which are generally cultured in the absence of vitamin C, a potential cofactor for Fe(ii) 2-oxoglutarate dioxygenase enzymes such as Tet enzymes. Here we report that addition of vitamin C to mouse ES cells promotes Tet activity, leading to a rapid and global increase in 5hmC. This is followed by DNA demethylation of many gene promoters and upregulation of demethylated germline genes. Tet1 binding is enriched near the transcription start site of genes affected by vitamin C treatment. Importantly, vitamin C, but not other antioxidants, enhances the activity of recombinant Tet1 in a biochemical assay, and the vitamin-C-induced changes in 5hmC and 5mC are entirely suppressed in Tet1 and Tet2 double knockout ES cells. Vitamin C has a stronger effect on regions that gain methylation in cultured ES cells compared to blastocysts, and in vivo are methylated only after implantation. In contrast, imprinted regions and intracisternal A particle retroelements, which are resistant to demethylation in the early embryo2,13, are resistant to vitamin-C-induced DNA demethylation. Collectively, the results of this study establish vitamin C as a direct regulator of Tet activity and DNA methylation fidelity in ES cells.

DNA methylation and histone H3 lysine 9 trimethylation (H3K9me3) play important roles in silencing of genes and retroelements. However, a comprehensive comparison of genes and repetitive elements repressed by these pathways has not been reported. Here we show that in mouse embryonic stem cells (mESCs), the genes upregulated after deletion of the H3K9 methyltransferase Setdb1 are distinct from those derepressed in mESC deficient in the DNA methyltransferases Dnmt1, Dnmt3a, and Dnmt3b, with the exception of a small number of primarily germline-specific genes. Numerous endogenous retroviruses (ERVs) lose H3K9me3 and are concomitantly derepressed exclusively in SETDB1 knockout mESCs. Strikingly, ~15% of upregulated genes are induced in association with derepression of promoter-proximal ERVs, half in the context of "chimeric" transcripts that initiate within these retroelements and splice to genic exons. Thus, SETDB1 plays a previously unappreciated yet critical role in inhibiting aberrant gene transcription by suppressing the expression of proximal ERVs.

Combined chromatin immunoprecipitation and next-generation sequencing (ChIP-seq) has enabled genome-wide epigenetic profiling of numerous cell lines and tissue types. A major limitation of ChIP-seq, however, is the large number of cells required to generate high-quality data sets, precluding the study of rare cell populations. Here, we present an ultra-low-input micrococcal nuclease-based native ChIP (ULI-NChIP) and sequencing method to generate genome-wide histone mark profiles with high resolution from as few as 103 cells. We demonstrate that ULI-NChIP-seq generates high-quality maps of covalent histone marks from 103 to 106 embryonic stem cells. Subsequently, we show that ULI-NChIP-seq H3K27me3 profiles generated from E13.5 primordial germ cells isolated from single male and female embryos show high similarity to recent data sets generated using 50–180 × more material. Finally, we identify sexually dimorphic H3K27me3 enrichment at specific genic promoters, thereby illustrating the utility of this method for generating high-quality and -complexity libraries from rare cell populations. Standard ChIP-seq protocols require large numbers of cells for high-quality datasets, limiting the application of this technique on rare cell types. Here, Brind’Amour et al. introduce an ultra-low-input ChIP-seq protocol to generate maps of covalent histone marks from as few as 1,000 cells.

Abstract Cell competition is emerging as a quality control mechanism that eliminates unfit cells in a wide range of settings from development to the adult. However, the nature of the cells normally eliminated by cell competition and what triggers their elimination remains poorly understood. In mouse, prior to gastrulation 35% of epiblast cells are eliminated. Here we have performed single cell transcriptional profiling of these cells and find that they show the hallmarks of cell competition and have mitochondrial defects. We demonstrate that mitochondrial defects are common to a range of different loser cell types and that manipulating mitochondrial function is sufficient to trigger competition. Importantly, we show that in the embryo cell competition eliminates cells with mitochondrial DNA mutations and that even non-pathological changes in mitochondrial DNA sequence can induce cell competition. Our results therefore suggest that cell competition is a purifying selection that optimises mitochondrial performance prior to gastrulation.

Abstract Summary Transposable Elements (TEs) influence the evolution of novel transcriptional networks yet the specific and meaningful interpretation of how TE-initiation events contribute to the transcriptome has been marred by computational and methodological deficiencies. We developed LIONS for the analysis of paired-end RNA-seq data to specifically detect and quantify TE-initiated transcripts. Availability Source code, container, test data and instruction manual are freely available at www.github.com/ababaian/LIONS . Contact ababaian@bccrc.ca or mahdi.karimi@lms.mrc.ac.uk or dmager@bccrc.ca . Supplementary information Supplementary data are available at Bioinformatics online.

ABSTRACT RUNX1 is a transcription factor that plays key roles in haematopoietic development and in adult haematopoiesis and lymphopoiesis. Here we report that RUNX1 is also involved in controlling the dynamics of cell cycle entry of naïve resting B cells in response to stimulation of the B cell receptor (BCR). Conditional knockout of Runx1 in mouse resting B cells resulted in accelerated entry of the cells into S-phase following BCR engagement. Our results indicate that Runx1 regulates the cyclin D2 ( Ccnd2 ) gene, the immediate early genes, Fosl2 , Atf3 and Egr2 , and the Notch effector Rbpj , in B cells, reducing the rate at which transcription of these genes increases following BCR stimulation. RUNX1 interacts with the chromatin remodeller SRCAP, recruiting it to promoter and enhancer regions of the Ccnd2 gene. BCR-mediated activation triggers switching between binding of RUNX1 and its paralog RUNX3 and between SRCAP and the SWI/SNF remodelling complex member BRG1. We also find that RUNX1 regulates expression of a number of immunomodulatory genes in resting B cells. These include the interferon receptor subunit gene Ifnar1 , which is upregulated in B cells from lupus patients, the Ptpn22 gene, which has been identified as a major lupus risk allele, and the Lrrk2 gene, which is mutated in familial Parkinson’s disease. The hyperresponsiveness of the Runx1 knockout B cells to antigen stimulation and its role in regulating a suite of genes that are known to be associated with autoimmune disease suggest that RUNX1 is a major regulator of B cell tolerance and autoimmunity.

Retrotransposons (RTEs) have been postulated to reactivate with age and contribute to aging through activated innate immune response and inflammation. Here, we systematically analyzed the relationship between RTEs expression and aging using published transcriptomic and methylomic datasets of human blood. Despite no observed correlation between RTEs activity and chronological age, most RTE classes and families except short interspersed nuclear elements (SINEs) correlate with age-associated gene signature scores. Strikingly, we found that the expression of SINEs is linked to upregulated DNA repair pathways in multiple cohorts. DNA hypomethylation with aging was observed across RTE classes and associated with increased RTEs expression in most RTE classes and families except SINEs. Additionally, our single-cell transcriptomic analysis suggests a role for plasma cells in aging mediated by RTEs. Altogether, our multi-omics analysis of large human cohorts highlights the role of RTEs in biological aging and suggests possible mechanisms and cell populations for future investigations.

Abstract Origin recognition complex (ORC)-dependent loading of the replicative helicase MCM2-7 onto replication origins in G1-phase forms the basis of replication fork establishment in S-phase. However, how ORC and MCM2-7 facilitate genome-wide DNA licensing is not fully understood. Mapping the molecular footprints of budding yeast ORC and MCM2-7 genome-wide, we discovered that MCM2-7 loading is associated with ORC release from origins and redistribution to non-origin sites. Our bioinformatic analysis revealed that origins are compact units, where a single MCM2-7 double hexamer blocks repetitive loading through steric ORC binding site occlusion. Analyses of A-elements and an improved B2-element consensus motif uncovered that DNA shape, DNA flexibility, and the correct, face-to-face spacing of the two DNA elements are hallmarks of ORC-binding and efficient helicase loading sites. Thus, our work identified fundamental principles for MCM2-7 helicase loading that explain how origin licensing is realised across the genome.

Abstract Mutational profiles of Myelodysplastic syndromes (MDS) have established that a relatively small number of genetic aberrations, including SF3B1 and SRSF2 spliceosome mutations, lead to specific phenotypes and prognostic subgrouping. We performed a Multi-Omics Factor Analysis (MOFA) on two published MDS cohorts of bone marrow mononuclear cells (BMMNCs) and CD34+ cells with three data modalities (clinical, genotype, and transcriptomics). Seven different views, including immune profile, inflammation/aging, Retrotransposon (RTE) expression, and cell-type composition, were derived from these modalities to identify the latent factors with significant impact on MDS prognosis. SF3B1 was the only mutation among 13 mutations in the BMMNC cohort, indicating a significant association with high inflammation. This trend was also observed to a lesser extent in the CD34+ cohort. Interestingly, the MOFA factor representing the inflammation shows a good prognosis for MDS patients with high inflammation. In contrast, SRSF2 mutant cases show a granulocyte-monocyte progenitor (GMP) pattern and high levels of senescence, immunosenescence, and malignant myeloid cells, consistent with their poor prognosis. Furthermore, MOFA identified RTEs expression as a risk factor for MDS. This work elucidates the efficacy of our integrative approach to assess the MDS risk that goes beyond all the scoring systems described thus far for MDS.

Abstract The role and molecular mechanisms of intermittent fasting (IF) in non-alcoholic steatohepatitis (NASH) and its transition to hepatocellular carcinoma (HCC) are unknown. Here, we identified that an IF 5:2 regimen (two non-consecutive days of food deprivation per week), initiated in the active phase of mice, prevents/ameliorates NASH and fibrosis as well as reduces subsequent HCC development without affecting total calorie intake. The timing, length and number of fasting cycles as well as the type of NASH diet were all critical parameters determining the effectiveness of the fasting benefits. Combined proteomic, transcriptomic and metabolomic analyses identified that PPARα and glucocorticoid receptor (GR)-PCK1 act co-operatively as hepatic executors of the fasting response by promoting fatty acid catabolism and gluconeogenesis whilst suppressing anabolic lipogenesis. In line, PPARα targets and PCK1 were reduced in human NASH. Additionally, dynamic [ 18 F]FDG-PET analysis in vivo revealed increased [ 18 F]FDG uptake/retention and enhanced gluconeogenesis in the liver upon fasting (in accordance with PPARα and GR-PCK1 activation) when assessed by compartmental modelling. Hepatocyte-specific GR deletion only partially abrogated the hepatic fasting response. In contrast, the combined knockdown of Ppara and Pck1 in vivo abolished the beneficial outcomes of fasting against inflammation and fibrosis, confirming their causal relationship in integrating systemic signalling in hepatocytes. Notably, PPARα agonist pemafibrate recapitulated key aspects of hepatic fasting signalling at a molecular level. Therefore, IF or pharmacological mimetics of the PPARα and/or GR-PCK1 axis could be a viable intervention against NASH and subsequent liver cancer. One-Sentence Summary Intermittent fasting protects against fatty liver disease and liver cancer through concerted PPARα and GR-PCK1 action in hepatocytes.