It has been widely accepted that 5-methylcytosine is the only form of DNA methylation in mammalian genomes. Here we identify N6-methyladenine as another form of DNA modification in mouse embryonic stem cells. Alkbh1 encodes a demethylase for N6-methyladenine. An increase of N6-methyladenine levels in Alkbh1-deficient cells leads to transcriptional silencing. N6-methyladenine deposition is inversely correlated with the evolutionary age of LINE-1 transposons; its deposition is strongly enriched at young (<1.5 million years old) but not old (>6 million years old) L1 elements. The deposition of N6-methyladenine correlates with epigenetic silencing of such LINE-1 transposons, together with their neighbouring enhancers and genes, thereby resisting the gene activation signals during embryonic stem cell differentiation. As young full-length LINE-1 transposons are strongly enriched on the X chromosome, genes located on the X chromosome are also silenced. Thus, N6-methyladenine developed a new role in epigenetic silencing in mammalian evolution distinct from its role in gene activation in other organisms. Our results demonstrate that N6-methyladenine constitutes a crucial component of the epigenetic regulation repertoire in mammalian genomes. The prevalence of N6-adenine DNA methylation in mammals was previously unknown; this study reveals that N6-methyladenine can be found in mouse embryonic stem cells, especially at subfamilies of young (<1.5 million years old) LINE-1 transposons. DNA methylation is thought to occur exclusively on the fifth position of cytosine in mammalian cells. These authors identify an additional form of DNA modification — producing N6-methyladenine — in mouse embryonic stem cells. They show that the Alkbh1 gene encodes a demethylase for N6-methyladenine. Deposition of N6-methyladenine is found at subfamilies of young LINE-1 transposons, where it may be involved in epigenetic silencing. N6-methyladenine has previously been found in prokaryotes, algae, nematodes and insects.

The development of cancer is intimately associated with genetic abnormalities that target proteins with intrinsically disordered regions (IDRs). In human haematological malignancies, recurrent chromosomal translocation of nucleoporin (NUP98 or NUP214) generates an aberrant chimera that invariably retains the nucleoporin IDR—tandemly dispersed repeats of phenylalanine and glycine residues1,2. However, how unstructured IDRs contribute to oncogenesis remains unclear. Here we show that IDRs contained within NUP98–HOXA9, a homeodomain-containing transcription factor chimera recurrently detected in leukaemias1,2, are essential for establishing liquid–liquid phase separation (LLPS) puncta of chimera and for inducing leukaemic transformation. Notably, LLPS of NUP98–HOXA9 not only promotes chromatin occupancy of chimera transcription factors, but also is required for the formation of a broad ‘super-enhancer’-like binding pattern typically seen at leukaemogenic genes, which potentiates transcriptional activation. An artificial HOX chimera, created by replacing the phenylalanine and glycine repeats of NUP98 with an unrelated LLPS-forming IDR of the FUS protein3,4, had similar enhancing effects on the genome-wide binding and target gene activation of the chimera. Deeply sequenced Hi-C revealed that phase-separated NUP98–HOXA9 induces CTCF-independent chromatin loops that are enriched at proto-oncogenes. Together, this report describes a proof-of-principle example in which cancer acquires mutation to establish oncogenic transcription factor condensates via phase separation, which simultaneously enhances their genomic targeting and induces organization of aberrant three-dimensional chromatin structure during tumourous transformation. As LLPS-competent molecules are frequently implicated in diseases1,2,4–7, this mechanism can potentially be generalized to many malignant and pathological settings. The NUP98–HOXA9 oncogenic fusion protein found in leukaemia undergoes phase separation in the nucleus, which helps to promote activation of leukaemic genes and to establish aberrant chromatin looping.

SUMMARY PROteolysis Targeting Chimeras (PROTACs) are bifunctional molecules that degrade target proteins through recruiting E3 ligases. However, their application is limited in part because few E3 ligases can be recruited by known E3 ligase ligands. In this study, we identified piperlongumine (PL), a natural product, as a covalent E3 ligase recruiter, which induces CDK9 degradation when it is conjugated with SNS-032, a CDK9 inhibitor. The lead conjugate 955 can potently degrade CDK9 in a ubiquitin-proteasome-dependent manner and is much more potent than SNS-032 against various tumor cells in vitro . Mechanistically, we identified KEAP1 as the E3 ligase recruited by 955 to degrade CDK9 through a TurboID-based proteomics study, which was further confirmed by KEAP1 knockout and the nanoBRET ternary complex formation assay. In addition, PL-Ceritinib conjugate can degrade EML4-ALK fusion oncoprotein, suggesting that PL may have a broader application as a covalent E3 ligase ligand in targeted protein degradation.

Cells respond to environmental perturbations and insults through modulating protein abundance and function. However, the majority of studies have focused on changes in RNA abundance because quantitative transcriptomics has historically been more facile than quantitative proteomics. Modern Orbitrap mass spectrometers now provide sensitive and deep proteome coverage, allowing direct, global quantification of not only protein abundance, but also post-translational modifications (PTMs) that regulate protein activity. We implemented, and validated using the well-characterized heat shock response of budding yeast, a tandem mass tagging (TMT), triple-stage mass spectrometry (MS3) strategy to measure global changes in the proteome during the yeast heat shock response over nine timepoints. We report that basic pH, ultra-high performance liquid chromatography (UPLC) fractionation of tryptic peptides yields superfractions of minimal redundancy, a crucial requirement for deep coverage and quantification by subsequent LC-MS3. We quantified 2,275 proteins across 3 biological replicates, and found that differential expression peaked near 90 minutes following heat shock (with 868 differentially expressed proteins at 5% FDR). The sensitivity of the approach also allowed us to detect changes in the relative abundance of ubiquitination and phosphorylation PTMs over time. Remarkably, relative quantification of post-translationally modified peptides revealed striking evidence of regulation of the heat shock response by protein PTMs. These data demonstrate that the high precision of TMT-MS3 enables peptide-level quantification of samples, which can reveal important regulation of protein abundance and regulatory PTMs under various experimental conditions.

Summary The E3 ubiquitin ligase RNF12/RLIM controls developmental gene expression and is mutated in the X-linked intellectual disability disorder Tonne-Kalscheuer syndrome (TOKAS). However, the mechanisms by which RNF12 E3 ubiquitin ligase activity controls specific gene expression signatures are not known. Here, we show that chromatin forms a regulatory platform for RNF12 substrate ubiquitylation and transcriptional patterning. RNF12 is recruited to specific genomic regions via a distinct consensus sequence motif, which enables targeting to key transcription factor substrate REX1. Mechanistically, RNF12 chromatin recruitment is largely REX1 independent, but is achieved via the conserved basic region (BR) adjacent to the RING domain. This region is critical for REX1 ubiquitylation on chromatin and downstream RNF12-dependent gene regulation. Furthermore, we find that RNF12 N-terminal sequences suppress chromatin recruitment and substrate ubiquitylation, uncovering a previously unappreciated autoinhibitory mechanism that governs genome targeting. Taken together, our results provide insight into mechanisms by which selective substrate targeting of an E3 ubiquitin ligase enables specific programming of gene expression.

Abstract Castration-resistant prostate cancer (CRPC) is a terminal disease, demanding a better understanding of its pathogenesis. Targeted therapy needs to be developed for CRPC due to its heterogeneity and resistance to current treatments. Here, through cistrome study of YY1, a transcription factor significantly overexpressed during prostate cancer progression, we identify a YY1-PFKP axis to be essential for CRPC tumorigenesis. Depletion of YY1 in independent CRPC models dramatically reduced tumor cell growth in vitro and delayed oncogenic progression in vivo . Importantly, YY1 functions as a master regulator of prostate tumor metabolism including the Warburg effect and mitochondria respiration. Loss-of-function and rescue studies further reveals a mechanistic underpinning in which YY1 directly binds and trans-activates PFKP , a gene encoding the rate-limiting enzyme for glycolysis, significantly contributing to the YY1-enforced oncogenic phenotypes such as enhanced tumor cell glycolysis and malignant growth. Additionally, a vast majority of gene-regulatory element in advanced prostate cancer cells are bound by YY1, lending a support for its role as a master regulator of prostate cancer progression. YY1 interactome studies point to bromodomain-containing coactivators in prostate cancer, which act as functional partners of YY1 to potentiate YY1-related target gene activation. Altogether, this study unveils an unexplored YY1:BRD4-PFKP oncogenic axis operating in advanced prostate cancer with implications for therapy.

Dietary methionine restriction is associated with a reduction in tumor growth in preclinical studies and an increase in lifespan in animal models. The mechanism by which methionine restriction inhibits tumor growth while sparing normal cells is incompletely understood. We do know that normal cells can utilize methionine or homocysteine interchangeably (methionine independence) while most cancer cells are strictly dependent on methionine availability. Here, we compared a typical methionine dependent and a rare methionine independent melanoma cell line. We show that replacing methionine, a methyl donor, with its precursor homocysteine generally induced hypomethylation in gene promoters. This decrease was similar in methionine dependent and methionine independent cells. There was only a low level of pathway enrichment, suggesting that the hypomethylation is generalized rather than gene specific. Whole proteome and transcriptome were also analyzed. This analysis revealed that contrarily to the effect on methylation, the replacement of methionine with homocysteine had a much greater effect on the transcriptome and proteome of methionine dependent cells than methionine independent cells. Interestingly, methionine adenosyltransferase 2A (MAT2A), responsible for the synthesis of s-adenosylmethionine from methionine, was equally strongly upregulated in both cell lines. This suggests that the absence of methionine is equally detected but triggers different outcomes in methionine dependent versus independent cells. Our analysis reveals the importance of cell cycle control, DNA damage repair, translation, nutrient sensing, oxidative stress and immune functions in the cellular response to methionine stress in melanoma.

ABSTRACT Trimethylation of histone H3 lysine 27 (H3K27me3) is important for gene silencing and imprinting, (epi)genome organization and organismal development. In a prevalent model, the functional readout of H3K27me3 in mammalian cells is achieved through the H3K27me3-recognizing chromodomain harbored within the chromobox (CBX) component of canonical Polycomb repressive complex 1 (cPRC1), which induces chromatin compaction and gene repression. Here, we report that binding of H3K27me3 by a Bromo Adjacent Homology (BAH) domain harbored within BAH domain-containing protein 1 (BAHD1) is required for overall BAHD1 targeting to chromatin and for optimal repression of the H3K27me3-demarcated genes in mammalian cells. Disruption of direct interaction between BAHD1 BAH and H3K27me3 by point mutagenesis leads to chromatin remodeling, notably, increased histone acetylation, at its Polycomb gene targets. Mice carrying an H3K27me3-interaction-defective mutation of Bahd1 BAH causes marked embryonic lethality, showing a requirement of this pathway for normal development. Altogether, this work demonstrates an H3K27me3-initiated signaling cascade that operates through a conserved BAH “reader” module within BAHD1 in mammals. Key Points BAHD1 BAH is a functionally validated mammalian “reader” of H3K27me3, mediating BAHD1 targeting for gene silencing. BAHD1 BAH connects H3K27me3 together with histone deacetylation, an integral step of gene silencing. BAHD1 BAH -mediated functional readout of H3K27me3 is essential for organismal development. Graphic abstract A mammalian H3K27me3-transduction pathway operates through an H3K27me3-specific ‘reader’ module (BAH) of BAHD1, which assembles a complex with corepressors (HDACs and others) for suppressing histone acetylation and repressing expression at Polycomb target genes.

Abstract Increased intracellular iron spurs mitochondrial biogenesis and respiration to satisfy high-energy demand during osteoclast differentiation and bone-resorbing activities. Transferrin receptor 1 (TFR1) mediates cellular iron uptake through endocytosis of iron-loaded transferrin and its expression increases during osteoclast differentiation. Nonetheless, the precise functions of TFR1 and TFR1-mediated iron uptake in osteoclast biology and skeletal homeostasis remain incompletely understood. To investigate the role of TFR1 in osteoclast lineage cells, we conditionally deleted Tfr1 gene in myeloid precursors or mature osteoclasts by crossing Tfr1 - floxed mice with LysM-Cre and Ctsk -Cre mice, respectively. Skeletal phenotyping by µCT and histology unveiled that loss of Tfr1 in osteoclast progenitor cells resulted in a three-fold increase in trabecular bone mass in the long bones of 10-week old female but not male mice. Although high trabecular bone volume in long bones was seen in both male and female mice with deletion of Tfr1 in mature osteoclasts, this phenotype was more pronounced in female knockout mice. Mechanistically, disruption of Tfr1 expression attenuated mitochondrial metabolism and cytoskeletal organization in mature osteoclasts, leading to decreased bone resorption with no impact on osteoclastogenesis. These results indicate that Tfr1-mediated iron uptake is specifically required for osteoclast function and is indispensable for bone remodeling.

Abstract Therapeutic approaches to treat melanoma include small molecule drugs that target activating protein mutations in pro-growth signaling pathways like the MAPK pathway. While beneficial to the approximately 50% of patients with activating BRAF V600 mutation, mono- and combination therapy with MAPK inhibitors is ultimately associated with acquired resistance. To better characterize the mechanisms of MAPK inhibitor resistance in melanoma, we utilize patient-derived xenografts and apply proteogenomic approaches leveraging genomic, transcriptomic, and proteomic technologies that permit the identification of resistance-specific alterations and therapeutic vulnerabilities. A specific challenge for proteogenomic applications comes at the level of data curation to enable multi-omics data integration. Here, we present a proteogenomic approach that uses custom curated databases to identify unique resistance-specific alternations in melanoma PDX models of acquired MAPK inhibitor resistance. We demonstrate this approach with a NRAS Q61L melanoma PDX model from which resistant tumors were developed following treatment with a MEK inhibitor. Our multi-omics strategy addresses current challenges in bioinformatics by leveraging development of custom curated proteogenomics databases derived from individual resistant melanoma that evolves following MEK inhibitor treatment and is scalable to comprehensively characterize acquired MAPK inhibitor resistance across patient-specific models and genomic subtypes of melanoma.