Positives and negatives of methylated CpG When the DNA bases cytosine and guanine are next to each other, a methyl group is generally added to the pyrimidine, generating a mCpG dinucleotide. This modification alters DNA structure but can also affect function by inhibiting transcription factor (TF) binding. Yin et al. systematically analyzed the effect of CpG methylation on the binding of 542 human TFs (see the Perspective by Hughes and Lambert). In addition to inhibiting binding of some TFs, they found that mCpGs can promote binding of others, particularly TFs involved in development, such as homeodomain proteins. Science , this issue p. eaaj2239 ; see also p. 489

CpG islands (CGIs) function as promoters for approximately 60% of human genes. Most of these elements remain protected from CpG methylation, a prevalent epigenetic modification associated with transcriptional silencing. Here, we report that methylation-resistant CGI promoters are characterized by significant strand asymmetry in the distribution of guanines and cytosines (GC skew) immediately downstream from their transcription start sites. Using innovative genomics methodologies, we show that transcription through regions of GC skew leads to the formation of long R loop structures. Furthermore, we show that GC skew and R loop formation potential is correlated with and predictive of the unmethylated state of CGIs. Finally, we provide evidence that R loop formation protects from DNMT3B1, the primary de novo DNA methyltransferase in early development. Altogether, these results suggest that protection from DNA methylation is a built-in characteristic of the DNA sequence of CGI promoters that is revealed by the cotranscriptional formation of R loop structures.

R-loops are three-stranded nucleic acid structures formed upon annealing of an RNA strand to one strand of duplex DNA. We profiled R-loops using a high-resolution, strand-specific methodology in human and mouse cell types. R-loops are prevalent, collectively occupying up to 5% of mammalian genomes. R-loop formation occurs over conserved genic hotspots such as promoter and terminator regions of poly(A)-dependent genes. In most cases, R-loops occur co-transcriptionally and undergo dynamic turnover. Detailed epigenomic profiling revealed that R-loops associate with specific chromatin signatures. At promoters, R-loops associate with a hyper-accessible state characteristic of unmethylated CpG island promoters. By contrast, terminal R-loops associate with an enhancer- and insulator-like state and define a broad class of transcription terminators. Together, this suggests that the retention of nascent RNA transcripts at their site of expression represents an abundant, dynamic, and programmed component of the mammalian chromatin that affects chromatin patterning and the control of gene expression.

Strand asymmetry in the distribution of guanines and cytosines, measured by GC skew, predisposes DNA sequences toward R-loop formation upon transcription. Previous work revealed that GC skew and R-loop formation associate with a core set of unmethylated CpG island (CGI) promoters in the human genome. Here, we show that GC skew can distinguish four classes of promoters, including three types of CGI promoters, each associated with unique epigenetic and gene ontology signatures. In particular, we identify a strong and a weak class of CGI promoters and show that these loci are enriched in distinct chromosomal territories reflecting the intrinsic strength of their protection against DNA methylation. Interestingly, we show that strong CGI promoters are depleted from the X chromosome while weak CGIs are enriched, a property consistent with the acquisition of DNA methylation during dosage compensation. Furthermore, we identify a third class of CGI promoters based on its unique GC skew profile and show that this gene set is enriched for Polycomb group targets. Lastly, we show that nearly 2000 genes harbor GC skew at their 3' ends and that these genes are preferentially located in gene-dense regions and tend to be closely arranged. Genomic profiling of R-loops accordingly showed that a large proportion of genes with terminal GC skew form R-loops at their 3' ends, consistent with a role for these structures in permitting efficient transcription termination. Altogether, we show that GC skew and R-loop formation offer significant insights into the epigenetic regulation, genomic organization, and function of human genes.

Summary DNA base damage is a major source of oncogenic mutations 1 . Such damage can produce strand-phased mutation patterns and multiallelic variation through the process of lesion segregation 2 . Here, we exploited these properties to reveal how strand-asymmetric processes, such as replication and transcription, shape DNA damage and repair. Despite distinct mechanisms of leading and lagging strand replication 3,4 , we observe identical fidelity and damage tolerance for both strands. For small DNA adducts, our results support a model in which the same translesion polymerase is recruited on-the-fly to both replication strands, starkly contrasting the strand asymmetric tolerance of bulky adducts 5 . We find that DNA damage tolerance is also common during transcription, where RNA-polymerases frequently bypass lesions without triggering repair. At multiple genomic scales, we show the pattern of DNA damage induced mutations is largely shaped by the influence of DNA accessibility on repair efficiency, rather than gradients of DNA damage. Finally, we reveal specific genomic conditions that can corrupt the fidelity of nucleotide excision repair and actively drive oncogenic mutagenesis. These results provide insight into how strand-asymmetric mechanisms underlie the formation, tolerance, and repair of DNA damage, thereby shaping cancer genome evolution.

Abstract DNA base damage is a major source of oncogenic mutations 1 . Such damage can produce strand-phased mutation patterns and multiallelic variation through the process of lesion segregation 2 . Here we exploited these properties to reveal how strand-asymmetric processes, such as replication and transcription, shape DNA damage and repair. Despite distinct mechanisms of leading and lagging strand replication 3,4 , we observe identical fidelity and damage tolerance for both strands. For small alkylation adducts of DNA, our results support a model in which the same translesion polymerase is recruited on-the-fly to both replication strands, starkly contrasting the strand asymmetric tolerance of bulky UV-induced adducts 5 . The accumulation of multiple distinct mutations at the site of persistent lesions provides the means to quantify the relative efficiency of repair processes genome wide and at single-base resolution. At multiple scales, we show DNA damage-induced mutations are largely shaped by the influence of DNA accessibility on repair efficiency, rather than gradients of DNA damage. Finally, we reveal specific genomic conditions that can actively drive oncogenic mutagenesis by corrupting the fidelity of nucleotide excision repair. These results provide insight into how strand-asymmetric mechanisms underlie the formation, tolerance and repair of DNA damage, thereby shaping cancer genome evolution.

The Four Core Genotypes (FCG) is a mouse model system heavily used to disentangle the function of sex chromosomes and hormones. We report that a copy of a 3.2 MB region of the X chromosome has translocated to the YSry- chromosome and thus increased the expression of multiple genes including the auto-immune master regulator Tlr7. This previously-unreported X-Y translocation complicates the interpretation of studies reliant on FCG mice.