MeCP2 is a nuclear protein with an affinity for methylated DNA that can recruit histone deacetylases. Deficiency or excess of MeCP2 causes severe neurological problems, suggesting that the number of molecules per cell must be precisely regulated. We quantified MeCP2 in neuronal nuclei and found that it is nearly as abundant as the histone octamer. Despite this high abundance, MeCP2 associates preferentially with methylated regions, and high-throughput sequencing showed that its genome-wide binding tracks methyl-CpG density. MeCP2 deficiency results in global changes in neuronal chromatin structure, including elevated histone acetylation and a doubling of histone H1. Neither change is detectable in glia, where MeCP2 occurs at lower levels. The mutant brain also shows elevated transcription of repetitive elements. Our data argue that MeCP2 may not act as a gene-specific transcriptional repressor in neurons, but might instead dampen transcriptional noise genome-wide in a DNA methylation-dependent manner.

Most human gene promoters are embedded within CpG islands that lack DNA methylation and coincide with sites of histone H3 lysine 4 trimethylation (H3K4me3), irrespective of transcriptional activity. Here, a zinc-finger protein Cfp1 is found to be associated with non-methylated CpG islands and sites of H3K4me3 genome-wide in vivo. Cfp1 is part of the Setd1 complex which trimethylates H3K4. Artificial CpG clusters are shown to recruit Cfp1, leading to novel peaks of H3K4me3. Therefore a primary function of non-methylated CpG islands might be to genetically determine the local chromatin modification state. Most human gene promoters are embedded within CpG islands that lack DNA methylation and coincide with sites at which histone H3 lysine 4 is trimethylated (H3K4me3 sites). Here, a zinc-finger protein, Cfp1, is found to be associated with non-methylated CpG islands and H3K4me3 sites throughout the genome in the mouse brain. A primary function of non-methylated CpG islands might be to genetically determine the local chromatin modification state by interaction with Cfp1 and perhaps other CpG-binding proteins. CpG islands (CGIs) are prominent in the mammalian genome owing to their GC-rich base composition and high density of CpG dinucleotides1,2. Most human gene promoters are embedded within CGIs that lack DNA methylation and coincide with sites of histone H3 lysine 4 trimethylation (H3K4me3), irrespective of transcriptional activity3,4. In spite of these intriguing correlations, the functional significance of non-methylated CGI sequences with respect to chromatin structure and transcription is unknown. By performing a search for proteins that are common to all CGIs, here we show high enrichment for Cfp1, which selectively binds to non-methylated CpGs in vitro5,6. Chromatin immunoprecipitation of a mono-allelically methylated CGI confirmed that Cfp1 specifically associates with non-methylated CpG sites in vivo. High throughput sequencing of Cfp1-bound chromatin identified a notable concordance with non-methylated CGIs and sites of H3K4me3 in the mouse brain. Levels of H3K4me3 at CGIs were markedly reduced in Cfp1-depleted cells, consistent with the finding that Cfp1 associates with the H3K4 methyltransferase Setd1 (refs 7, 8). To test whether non-methylated CpG-dense sequences are sufficient to establish domains of H3K4me3, we analysed artificial CpG clusters that were integrated into the mouse genome. Despite the absence of promoters, the insertions recruited Cfp1 and created new peaks of H3K4me3. The data indicate that a primary function of non-methylated CGIs is to genetically influence the local chromatin modification state by interaction with Cfp1 and perhaps other CpG-binding proteins.

CpG islands (CGIs) are dense clusters of CpG sequences that punctuate the CpG-deficient human genome and associate with many gene promoters. As CGIs also differ from bulk chromosomal DNA by their frequent lack of cytosine methylation, we devised a CGI enrichment method based on nonmethylated CpG affinity chromatography. The resulting library was sequenced to define a novel human blood CGI set that includes many that are not detected by current algorithms. Approximately half of CGIs were associated with annotated gene transcription start sites, the remainder being intra- or intergenic. Using an array representing over 17,000 CGIs, we established that 6%–8% of CGIs are methylated in genomic DNA of human blood, brain, muscle, and spleen. Inter- and intragenic CGIs are preferentially susceptible to methylation. CGIs showing tissue-specific methylation were overrepresented at numerous genetic loci that are essential for development, including HOX and PAX family members. The findings enable a comprehensive analysis of the roles played by CGI methylation in normal and diseased human tissues.

CpG islands (CGIs) are vertebrate genomic landmarks that encompass the promoters of most genes and often lack DNA methylation. Querying their apparent importance, the number of CGIs is reported to vary widely in different species and many do not co-localise with annotated promoters. We set out to quantify the number of CGIs in mouse and human genomes using CXXC Affinity Purification plus deep sequencing (CAP-seq). We also asked whether CGIs not associated with annotated transcripts share properties with those at known promoters. We found that, contrary to previous estimates, CGI abundance in humans and mice is very similar and many are at conserved locations relative to genes. In each species CpG density correlates positively with the degree of H3K4 trimethylation, supporting the hypothesis that these two properties are mechanistically interdependent. Approximately half of mammalian CGIs (>10,000) are "orphans" that are not associated with annotated promoters. Many orphan CGIs show evidence of transcriptional initiation and dynamic expression during development. Unlike CGIs at known promoters, orphan CGIs are frequently subject to DNA methylation during development, and this is accompanied by loss of their active promoter features. In colorectal tumors, however, orphan CGIs are not preferentially methylated, suggesting that cancer does not recapitulate a developmental program. Human and mouse genomes have similar numbers of CGIs, over half of which are remote from known promoters. Orphan CGIs nevertheless have the characteristics of functional promoters, though they are much more likely than promoter CGIs to become methylated during development and hence lose these properties. The data indicate that orphan CGIs correspond to previously undetected promoters whose transcriptional activity may play a functional role during development.

Human and mouse genomes contain a similar number of CpG islands (CGIs), which are discrete CpG-rich DNA sequences associated with transcription start sites. In both species, ∼50% of all CGIs are remote from annotated promoters but, nevertheless, often have promoter-like features. To determine the role of CGI methylation in cell differentiation, we analyzed DNA methylation at a comprehensive CGI set in cells of the mouse hematopoietic lineage. Using a method that potentially detects ∼33% of genomic CpGs in the methylated state, we found that large differences in gene expression were accompanied by surprisingly few DNA methylation changes. There were, however, many DNA methylation differences between hematopoietic cells and a distantly related tissue, brain. Altered DNA methylation in the immune system occurred predominantly at CGIs within gene bodies, which have the properties of cell type–restricted promoters, but infrequently at annotated gene promoters or CGI flanking sequences (CGI “shores”). Unexpectedly, elevated intragenic CGI methylation correlated with silencing of the associated gene. Differentially methylated intragenic CGIs tended to lack H3K4me3 and associate with a transcriptionally repressive environment regardless of methylation state. Our results indicate that DNA methylation changes play a relatively minor role in the late stages of differentiation and suggest that intragenic CGIs represent regulatory sites of differential gene expression during the early stages of lineage specification.

Highlights•Super-resolution microscopy reveals increased enhancer-promoter separation upon activation•Synthetic enhancer activation supports decreased enhancer-promoter proximity•Enhancer-promoter separation can be driven by poly(ADP-ribose) polymerase 1SummaryEnhancers can regulate the promoters of their target genes over very large genomic distances. It is widely assumed that mechanisms of enhancer action involve the reorganization of three-dimensional chromatin architecture, but this is poorly understood. The predominant model involves physical enhancer-promoter interaction by looping out the intervening chromatin. However, studying the enhancer-driven activation of the Sonic hedgehog gene (Shh), we have identified a change in chromosome conformation that is incompatible with this simple looping model. Using super-resolution 3D-FISH and chromosome conformation capture, we observe a decreased spatial proximity between Shh and its enhancers during the differentiation of embryonic stem cells to neural progenitors. We show that this can be recapitulated by synthetic enhancer activation, is impeded by chromatin-bound proteins located between the enhancer and the promoter, and appears to involve the catalytic activity of poly (ADP-ribose) polymerase. Our data suggest that models of enhancer-promoter communication need to encompass chromatin conformations other than looping.Graphical abstract

During differentiation, thousands of genes are repositioned toward or away from the nuclear envelope. These movements correlate with changes in transcription and replication timing. Using synthetic (TALE) transcription factors, we found that transcriptional activation of endogenous genes by a viral trans-activator is sufficient to induce gene repositioning toward the nuclear interior in embryonic stem cells. However, gene relocation was also induced by recruitment of an acidic peptide that decondenses chromatin without affecting transcription, indicating that nuclear reorganization is driven by chromatin remodeling rather than transcription. We identified an epigenetic inheritance of chromatin decondensation that maintained central nuclear positioning through mitosis even after the TALE transcription factor was lost. Our results also demonstrate that transcriptional activation, but not chromatin decondensation, is sufficient to change replication timing.

Trimethylation of histone H3 Lys 4 (H3K4me3) is a mark of active and poised promoters. The Set1 complex is responsible for most somatic H3K4me3 and contains the conserved subunit CxxC finger protein 1 (Cfp1), which binds to unmethylated CpGs and links H3K4me3 with CpG islands (CGIs). Here we report that Cfp1 plays unanticipated roles in organizing genome-wide H3K4me3 in embryonic stem cells. Cfp1 deficiency caused two contrasting phenotypes: drastic loss of H3K4me3 at expressed CGI-associated genes, with minimal consequences for transcription, and creation of “ectopic” H3K4me3 peaks at numerous regulatory regions. DNA binding by Cfp1 was dispensable for targeting H3K4me3 to active genes but was required to prevent ectopic H3K4me3 peaks. The presence of ectopic peaks at enhancers often coincided with increased expression of nearby genes. This suggests that CpG targeting prevents “leakage” of H3K4me3 to inappropriate chromatin compartments. Our results demonstrate that Cfp1 is a specificity factor that integrates multiple signals, including promoter CpG content and gene activity, to regulate genome-wide patterns of H3K4me3.

Although important for gene regulation, most studies of genome organization use either fluorescence in situ hybridization (FISH) or chromosome conformation capture (3C) methods. FISH directly visualizes the spatial relationship of sequences but is usually applied to a few loci at a time. The frequency at which sequences are ligated together by formaldehyde cross-linking can be measured genome-wide by 3C methods, with higher frequencies thought to reflect shorter distances. FISH and 3C should therefore give the same views of genome organization, but this has not been tested extensively. We investigated the murine HoxD locus with 3C carbon copy (5C) and FISH in different developmental and activity states and in the presence or absence of epigenetic regulators. We identified situations in which the two data sets are concordant but found other conditions under which chromatin topographies extrapolated from 5C or FISH data are not compatible. We suggest that products captured by 3C do not always reflect spatial proximity, with ligation occurring between sequences located hundreds of nanometers apart, influenced by nuclear environment and chromatin composition. We conclude that results obtained at high resolution with either 3C methods or FISH alone must be interpreted with caution and that views about genome organization should be validated by independent methods.

The DNA hypomethylation that occurs when embryonic stem cells (ESCs) are directed to the ground state of naive pluripotency by culturing in 2i conditions results in redistribution of polycomb (H3K27me3) away from its target loci. Here we demonstrate that 3D genome organisation is also altered in 2i. We found chromatin decompaction at polycomb target loci as well as loss of long-range polycomb interactions. By preventing DNA hypomethylation during the transition to the ground-state, we are able to restore the H3K27me3 distribution, and polycomb-mediated 3D genome organisation that is characteristic of primed ESCs grown in serum, to ESCs in 2i. However, these cells retain the functional characteristics of 2i ground state ESCs. Our findings demonstrate the central role of DNA methylation in shaping major aspects of 3D genome organisation but caution against assuming causal roles for the epigenome and 3D genome in gene regulation and function in ESCs.