Abstract The maintenance of gene expression patterns during metazoan development is achieved by the actions of Polycomb group (PcG) complexes. An essential modification marking silenced genes is monoubiquitination of histone H2A lysine 119 (H2AK119Ub) deposited by the E3 ubiquitin ligase activity of the non-canonical Polycomb Repressive Complex 1. The Polycomb Repressive Deubiquitinase (PR-DUB) complex cleaves monoubiquitin from histone H2A lysine 119 (H2AK119Ub) to restrict focal H2AK119Ub at Polycomb target sites and to protect active genes from aberrant silencing. BAP1 and ASXL1, subunits that form active PR-DUB, are among the most frequently mutated epigenetic factors in human cancers, underscoring their biological importance. How PR-DUB achieves specificity for H2AK119Ub to regulate Polycomb silencing is unknown, and the mechanisms of most of the mutations in BAP1 and ASXL1 found in cancer have not been established. Here we determine a cryo-EM structure of human BAP1 bound to the ASXL1 DEUBAD domain in complex with a H2AK119Ub nucleosome. Our structural, biochemical, and cellular data reveal the molecular interactions of BAP1 and ASXL1 with histones and DNA that are critical for remodeling the nucleosome and thus establishing specificity for H2AK119Ub. These results further provide a molecular explanation for how >50 mutations in BAP1 and ASXL1 found in cancer can dysregulate H2AK119Ub deubiquitination, providing new insight into understanding cancer etiology. One Sentence Summary We reveal the molecular mechanism of nucleosomal H2AK119Ub deubiquitination by human BAP1/ASXL1.

The intricate regulation of chromatin plays a key role in controlling genome architecture and accessibility. Histone lysine methyltransferases regulate chromatin by catalyzing the methylation of specific histone residues but are also hypothesized to have equally important non-catalytic roles. SUV420H1 di- and tri-methylates histone H4 lysine 20 (H4K20me2/me3) and plays crucial roles in DNA replication, repair, and heterochromatin formation, and is dysregulated in several cancers. Many of these processes were linked to its catalytic activity. However, deletion and inhibition of SUV420H1 have shown distinct phenotypes suggesting the enzyme likely has uncharacterized non-catalytic activities. To characterize the catalytic and non-catalytic mechanisms SUV420H1 uses to modify chromatin, we determined cryo- EM structures of SUV420H1 complexes with nucleosomes containing histone H2A or its variant H2A.Z. Our structural, biochemical, biophysical, and cellular analyses reveal how both SUV420H1 recognizes its substrate and H2A.Z stimulates its activity, and show that SUV420H1 binding to nucleosomes causes a dramatic detachment of nucleosomal DNA from histone octamer. We hypothesize that this detachment increases DNA accessibility to large macromolecular complexes, a prerequisite for DNA replication and repair. We also show that SUV420H1 can promote chromatin condensates, another non-catalytic role that we speculate is needed for its heterochromatin functions. Together, our studies uncover and characterize the catalytic and non-catalytic mechanisms of SUV420H1, a key histone methyltransferase that plays an essential role in genomic stability.

During tumor development, promoter CpG islands (CGIs) that are normally silenced by Polycomb repressive complexes (PRCs) become DNA hypermethylated. The molecular mechanism by which de novo DNA methyltransferase(s) catalyze CpG methylation at PRC-regulated regions remains unclear. Here we report a cryo-EM structure of the DNMT3A long isoform (DNMT3A1) N-terminal region in complex with a nucleosome carrying PRC1-mediated histone H2A lysine 119 monoubiquitination (H2AK119Ub). We identify regions within the DNMT3A1 N-terminus that bind H2AK119Ub and the nucleosome acidic patch. This bidentate interaction is required for effective DNMT3A1 engagement with H2AK119Ub-modified chromatin in cells. Furthermore, aberrant redistribution of DNMT3A1 to Polycomb target genes inhibits their transcriptional activation during cell differentiation and recapitulates the cancer-associated DNA hypermethylation signature. This effect is rescued by disruption of the DNMT3A1-acidic patch interaction. Together, our analyses reveal a binding interface critical for countering promoter CGI DNA hypermethylation, a major molecular hallmark of cancer.