Abstract The single-stranded DNA cytosine-to-uracil deaminase APOBEC3B is an antiviral protein implicated in cancer. However, its substrates in cells are not fully delineated. Here, APOBEC3B proteomics reveal interactions with a surprising number of R-loop factors. Biochemical experiments show APOBEC3B binding to R-loops in human cells and in vitro . Genetic experiments demonstrate R-loop increases in cells lacking APOBEC3B and decreases in cells overexpressing APOBEC3B. Genome-wide analyses show major changes in the overall landscape of physiological and stimulus-induced R-loops with thousands of differentially altered regions as well as binding of APOBEC3B to many of these sites. APOBEC3 mutagenesis impacts overexpressed genes and splice factor mutant tumors preferentially, and APOBEC3-attributed kataegis are enriched in RTCW consistent with APOBEC3B deamination. Taken together with the fact that APOBEC3B binds single-stranded DNA and RNA and preferentially deaminates DNA, these results support a mechanism in which APOBEC3B mediates R-loop homeostasis and contributes to R-loop mutagenesis in cancer. Highlights Unbiased proteomics link antiviral APOBEC3B to R-loop regulation Systematic alterations of APOBEC3B levels trigger corresponding changes in R-loops APOBEC3B binds R-loops in living cells and in vitro Bioinformatics analyses support an R-loop deamination and mutation model

SUMMARY Poly(ADP-ribose) (PAR) plays a crucial role in intracellular signaling and scaffolding through covalent modification or non-covalent binding to target proteins. The non- covalent binding PARylome has not been extensively characterized. Here we performed a PAR-binding screen using a human protein microarray that covers most of the human proteome to characterize the non-covalent binding PARylome. A total of 356 PAR- binding proteins were identified. The PAR-binding PARylome suggests that PAR- binding regulates a variety of biological processes beyond well-characterized DNA damage signaling and DNA repair. Proteins that may be reprogrammed by PAR-binding include signaling molecules, transcription factors, nucleic acid binding proteins, calcium binding proteins, ligases, oxidoreductases, enzymes, transferases, hydrolases, and receptors. The global database of PAR-binding proteins that we established will be a valuable tool for further in-depth analysis of the role of PARylation in a wide range of biological contexts.

ABSTRACT In mammals, repressive histone modifications such as trimethylation of histone H3 Lys9 (H3K9me3), frequently coexist with DNA methylation, producing a more stable and silenced chromatin state. However, it remains elusive how these epigenetic modifications crosstalk. Here, through structural and biochemical characterizations, we identified the replication foci targeting sequence (RFTS) domain of maintenance DNA methyltransferase DNMT1, a module known to bind the ubiquitylated H3 (H3Ub), as a specific reader for H3K9me3/H3Ub, with the recognition mode distinct from the typical trimethyl-lysine reader. Disruption of the interaction between RFTS and the H3K9me3Ub affects the localization of DNMT1 in stem cells and profoundly impairs the global DNA methylation and genomic stability. Together, this study reveals a previously unappreciated pathway through which H3K9me3 directly reinforces DNMT1-mediated maintenance DNA methylation.