Shankar Balasubramanian and colleagues examine endogenous DNA G-quadruplex (G4) structures in the context of chromatin by using G4 antibody-based ChIP–seq. They find that G4 structures are enriched in nucleosome-depleted regions and the promoters and 5′ UTRs of highly transcribed genes, suggesting a relationship between chromatin state, transcriptional output and G4 status. G-quadruplex (G4) structural motifs have been linked to transcription1,2, replication3 and genome instability4,5 and are implicated in cancer and other diseases6,7,8. However, it is crucial to demonstrate the bona fide formation of G4 structures within an endogenous chromatin context9,10. Herein we address this through the development of G4 ChIP–seq, an antibody-based G4 chromatin immunoprecipitation and high-throughput sequencing approach. We find ∼10,000 G4 structures in human chromatin, predominantly in regulatory, nucleosome-depleted regions. G4 structures are enriched in the promoters and 5′ UTRs of highly transcribed genes, particularly in genes related to cancer and in somatic copy number amplifications, such as MYC. Strikingly, de novo and enhanced G4 formation are associated with increased transcriptional activity, as shown by HDAC inhibitor–induced chromatin relaxation and observed in immortalized as compared to normal cellular states. Our findings show that regulatory, nucleosome-depleted chromatin and elevated transcription shape the endogenous human G4 DNA landscape.

Endogenous retroviruses are widely dispersed in mammalian genomes, and are silenced in somatic cells by DNA methylation. Here, an endogenous retroviruses silencing pathway independent of DNA methylation is shown to operate in embryonic stem cells. The pathway involves the histone H3K9 methyltransferase ESET/SETDB1 and might be important for endogenous retrovirus silencing during the stages in embryogenesis when DNA methylation is reprogrammed. Endogenous retroviruses (ERVs) are widely dispersed in mammalian genomes, and are silenced in somatic cells by DNA methylation. Here, an ERV silencing pathway independent of DNA methylation is shown to operate in embryonic stem cells. The pathway involves the histone H3K9 methyltransferase ESET and might be important for ERV silencing during the stages in embryogenesis when DNA methylation is reprogrammed. Endogenous retroviruses (ERVs), retrovirus-like elements with long terminal repeats, are widely dispersed in the euchromatic compartment in mammalian cells, comprising ∼10% of the mouse genome1. These parasitic elements are responsible for >10% of spontaneous mutations2. Whereas DNA methylation has an important role in proviral silencing in somatic and germ-lineage cells3,4,5, an additional DNA-methylation-independent pathway also functions in embryonal carcinoma and embryonic stem (ES) cells to inhibit transcription of the exogenous gammaretrovirus murine leukaemia virus (MLV)6,7,8. Notably, a recent genome-wide study revealed that ERVs are also marked by histone H3 lysine 9 trimethylation (H3K9me3) and H4K20me3 in ES cells but not in mouse embryonic fibroblasts9. However, the role that these marks have in proviral silencing remains unexplored. Here we show that the H3K9 methyltransferase ESET (also called SETDB1 or KMT1E) and the Krüppel-associated box (KRAB)-associated protein 1 (KAP1, also called TRIM28)10,11 are required for H3K9me3 and silencing of endogenous and introduced retroviruses specifically in mouse ES cells. Furthermore, whereas ESET enzymatic activity is crucial for HP1 binding and efficient proviral silencing, the H4K20 methyltransferases Suv420h1 and Suv420h2 are dispensable for silencing. Notably, in DNA methyltransferase triple knockout (Dnmt1-/-Dnmt3a-/-Dnmt3b-/-) mouse ES cells, ESET and KAP1 binding and ESET-mediated H3K9me3 are maintained and ERVs are minimally derepressed. We propose that a DNA-methylation-independent pathway involving KAP1 and ESET/ESET-mediated H3K9me3 is required for proviral silencing during the period early in embryogenesis when DNA methylation is dynamically reprogrammed.

Histones H2A and H2B form part of the same nucleosomal structure as H3 and H4. Stable HeLa cell lines expressing histones H2B, H3, and H4 tagged with green fluorescent protein (GFP) were established; the tagged molecules were assembled into nucleosomes. Although H2B-GFP was distributed like DNA, H3-GFP and H4-GFP were concentrated in euchromatin during interphase and in R-bands in mitotic chromosomes. These differences probably result from an unregulated production of tagged histones and differences in exchange. In both single cells and heterokaryons, photobleaching revealed that H2B-GFP exchanged more rapidly than H3-GFP and H4-GFP. About 3% of H2B exchanged within minutes, whereas ∼40% did so slowly (t1/2 ∼ 130 min). The rapidly exchanging fraction disappeared in 5,6-dichloro-1-β-d-ribofuranosylbenzimidazole and so may represent H2B in transcriptionally active chromatin. The slowly exchanging fraction was probably associated with chromatin domains surrounding active units. H3-GFP and H4-GFP were assembled into chromatin when DNA was replicated, and then >80% remained bound permanently. These results reveal that the inner core of the nucleosome is very stable, whereas H2B on the surface of active nucleosomes exchanges continually.

Summary

 Transcription is a highly dynamic process. Consequently, we have developed native elongating transcript sequencing technology for mammalian chromatin (mNET-seq), which generates single-nucleotide resolution, nascent transcription profiles. Nascent RNA was detected in the active site of RNA polymerase II (Pol II) along with associated RNA processing intermediates. In particular, we detected 5′splice site cleavage by the spliceosome, showing that cleaved upstream exon transcripts are associated with Pol II CTD phosphorylated on the serine 5 position (S5P), which is accumulated over downstream exons. Also, depletion of termination factors substantially reduces Pol II pausing at gene ends, leading to termination defects. Notably, termination factors play an additional promoter role by restricting non-productive RNA synthesis in a Pol II CTD S2P-specific manner. Our results suggest that CTD phosphorylation patterns established for yeast transcription are significantly different in mammals. Taken together, mNET-seq provides dynamic and detailed snapshots of the complex events underlying transcription in mammals.

The International Human Epigenome Consortium (IHEC) coordinates the generation of a catalog of high-resolution reference epigenomes of major primary human cell types. The studies now presented (see the Cell Press IHEC web portal at http://www.cell.com/consortium/IHEC) highlight the coordinated achievements of IHEC teams to gather and interpret comprehensive epigenomic datasets to gain insights in the epigenetic control of cell states relevant for human health and disease. 

PaperClip

Paraspeckles are subnuclear structures formed around nuclear paraspeckle assembly transcript 1 (NEAT1)/MENε/β long noncoding RNA (lncRNA). Here we show that paraspeckles become dramatically enlarged after proteasome inhibition. This enlargement is mainly caused by NEAT1 transcriptional up-regulation rather than accumulation of undegraded paraspeckle proteins. Of interest, however, using immuno-electron microscopy, we find that key paraspeckle proteins become effectively depleted from the nucleoplasm by 50% when paraspeckle assembly is enhanced, suggesting a sequestration mechanism. We also perform microarrays from NEAT1-knockdown cells and find that NEAT1 represses transcription of several genes, including the RNA-specific adenosine deaminase B2 (ADARB2) gene. In contrast, the NEAT1-binding paraspeckle protein splicing factor proline/glutamine-rich (SFPQ) is required for ADARB2 transcription. This leads us to hypothesize that ADARB2 expression is controlled by NEAT1-dependent sequestration of SFPQ. Accordingly, we find that ADARB2 expression is strongly reduced upon enhanced SFPQ sequestration by proteasome inhibition, with concomitant reduction in SFPQ binding to the ADARB2 promoter. Finally, NEAT1(-/-) fibroblasts are more sensitive to proteasome inhibition, which triggers cell death, suggesting that paraspeckles/NEAT1 attenuates the cell death pathway. These data further confirm that paraspeckles are stress-responsive nuclear bodies and provide a model in which induced NEAT1 controls target gene transcription by protein sequestration into paraspeckles.

Chromatin reorganization plays an important role in DNA repair, apoptosis, and cell cycle checkpoints. Among proteins involved in chromatin reorganization, TIP60 histone acetyltransferase has been shown to play a role in DNA repair and apoptosis. However, how TIP60 regulates chromatin reorganization in the response of human cells to DNA damage is largely unknown. Here, we show that ionizing irradiation induces TIP60 acetylation of histone H2AX, a variant form of H2A known to be phosphorylated following DNA damage. Furthermore, TIP60 regulates the ubiquitination of H2AX via the ubiquitin-conjugating enzyme UBC13, which is induced by DNA damage. This ubiquitination of H2AX requires its prior acetylation. We also demonstrate that acetylation-dependent ubiquitination by the TIP60-UBC13 complex leads to the release of H2AX from damaged chromatin. We conclude that the sequential acetylation and ubiquitination of H2AX by TIP60-UBC13 promote enhanced histone dynamics, which in turn stimulate a DNA damage response.

Histone modifications play critical roles in the epigenetic regulation of gene expression and in the maintenance of genome integrity. Acetylation and methylation of histone H3 are particularly important in gene activation and silencing. We generated and characterized a panel of mouse monoclonal antibodies that specifically recognize different modifications on K4, K9, and K27 residues on histone H3. By using these antibodies for chromatin immunoprecipitation and immunoblotting, we analyzed the relationship between different modifications in nearby nucleosomes in human cells. Within a few nucleosome neighbors, trimethyl-K4 was associated with acetyl-K27, rather than with dimethyl-K4 and acetyl-K9, consistent with their co-localization on active promoters. Furthermore, simultaneous immunofluorescence using directly-labeled antibodies revealed that di- and tri-methylation on K4 was diminished during replicative senescence. These highly-reliable and fully-characterized monoclonal antibodies may facilitate future epigenomic studies on healthy and diseased cells.

Abstract Targeting self-renewal is an important goal in cancer therapy and recent studies have focused on Notch signalling in the maintenance of stemness of glioma stem cells (GSCs). Understanding cancer-specific Notch regulation would improve specificity of targeting this pathway. In this study, we find that Notch1 activation in GSCs specifically induces expression of the lncRNA, TUG1 . TUG1 coordinately promotes self-renewal by sponging miR-145 in the cytoplasm and recruiting polycomb to repress differentiation genes by locus-specific methylation of histone H3K27 via YY1-binding activity in the nucleus. Furthermore, intravenous treatment with antisense oligonucleotides targeting TUG1 coupled with a drug delivery system induces GSC differentiation and efficiently represses GSC growth in vivo. Our results highlight the importance of the Notch-lncRNA axis in regulating self-renewal of glioma cells and provide a strong rationale for targeting TUG1 as a specific and potent therapeutic approach to eliminate the GSC population.