Abstract Severe coronavirus disease 2019 (COVID-19) is characterized by systemic inflammation and can result in protracted symptoms. Robust systemic inflammation may trigger persistent changes in hematopoietic cells and innate immune memory through epigenetic mechanisms. We reveal that rare circulating hematopoietic stem and progenitor cells (HSPC), enriched from human blood, match the diversity of HSPC in bone marrow, enabling investigation of hematopoiesis and HSPC epigenomics. Following COVID-19, HSPC retain epigenomic alterations that are conveyed, through differentiation, to progeny innate immune cells. Epigenomic changes vary with disease severity, persist for months to a year, and are associated with increased myeloid cell differentiation and inflammatory or antiviral programs. Epigenetic reprogramming of HSPC may underly altered immune function following infection and be broadly relevant, especially for millions of COVID-19 survivors. One Sentence Summary Transcriptomic and epigenomic analysis of blood reveal sustained changes in hematopoiesis and innate immunity after COVID-19. Graphical Abstract

Complex organisms are able to rapidly induce select genes among thousands in response to diverse environmental cues. This occurs in the context of large genomes condensed with histone proteins into chromatin. The macrophage response to pathogen sensing, for example, rapidly engages highly conserved signaling pathways and transcription factors (TFs) for coordination of inflammatory gene induction1-3. Enriched integration of histone H3.3, the ancestral histone H3 variant, is a feature of inflammatory genes and, in general, dynamically regulated chromatin and transcription4-7. However, little is known of how chromatin is regulated at rapidly induced genes and what features of H3.3, conserved from yeast to human, might enable rapid and high-level transcription. The amino-terminus of H3.3 contains a unique serine residue as compared with alanine residues found in canonical H3.1/2. We find that this H3.3-specific serine residue, H3.3S31, is phosphorylated (H3.3S31ph) in a stimulation-dependent manner along the gene bodies of rapidly induced response genes in mouse macrophages responding to pathogen sensing. Further, this selective mark of stimulation-responsive genes directly engages histone methyltransferase (HMT) SETD2, a component of the active transcription machinery. Our structure-function studies reveal that a conserved positively charged cleft in SETD2 contacts H3.3S31ph and specifies preferential methylation of H3.3S31ph nucleosomes. We propose that features of H3.3 at stimulation induced genes, including H3.3S31ph, afford preferential access to the transcription apparatus. Our results provide insight into the function of ancestral histone variant H3.3 and the dedicated epigenetic mechanisms that enable rapid gene induction, with implications for understanding and treating inflammation.

Methyl CpG-binding protein 2 (MeCP2), the mutated protein in Rett syndrome (RTT), is a crucial chromatin-modifying and gene-regulatory protein that has two main isoforms (MeCP2_E1 and MeCP2_ E2) due to the alternative splicing and switching between translation start codons in exons one and two. Functionally, these two isoforms appear to be virtually identical; however, evidence suggests that only MeCP2_E1 is relevant to RTT, including a single RTT missense mutation in exon 1, p.Ala2Val. Here, we show that N-terminal co- and post-translational modifications differ for MeCP2_E1, MeCP2_E1-p.Ala2Val and MeCP2_E2, which result in different protein degradation rates in vitro. We report partial N-methionine excision (NME) for MeCP2_E2, whereas NME for MeCP2_E1 is complete. Surprisingly, we also observed evidence of excision of multiple alanine residues from the N-terminal polyalanine stretch. Regarding MeCP2_E1-Ala2Val, we also observed only partial NME and N-acetylation (NA) of either methionine or valine. The localization of MeCP2_E1 and co-localization with chromatin appear to be unaffected by the p.Ala2Val mutation. However, a higher proteasomal degradation rate was observed for MeCP2_E1-Ala2Val compared with that for wild type (WT) MeCP2_E1. Thus, the etiopathology of p.Ala2Val is likely due to a reduced bio-availability of MeCP2 because of the faster degradation rate of the unmodified defective protein. MeCP2_E1 is thought to have a much higher translational efficiency than MeCP2_E2. Our data suggest that this increased efficiency may be balanced by a higher degradation rate. The higher turnover rate of the MeCP2_E1 protein suggests that it may play a more dynamic role in cells than MeCP2_E2.

MeCP2, a chromatin-binding protein associated with Rett syndrome, has two main isoforms, MeCP2-E1 and MeCP2-E2, with 96% amino acid identity differing in a few N-terminal amino acid residues. Previous studies have shown brain region-specific expression of these isoforms which, in addition to their different cellular localization and differential expression during brain development, suggest they may also have non-overlapping molecular mechanisms. However, differential functions of MeCP2-E1 and E2 remain largely unexplored. Here, we show that the N-terminal domains (NTD) of MeCP2-E1 and E2 modulate the ability of the methyl binding domain (MBD) to interact with DNA as well as influencing the turnover rates, binding dynamics, response to nuclear depolarization, and circadian oscillations of the two isoforms. Our proteomics data indicate that both isoforms exhibit unique interacting protein partners. Moreover, genome-wide analysis using ChIP-seq provide evidence for a shared as well as a specific regulation of different sets of genes. Our findings provide insight into the functional complexity of MeCP2 by dissecting differential aspects of its two isoforms.