Abstract The location of nucleosomes in the human genome determines the primary chromatin structure and regulates access to regulatory regions. However, genome-wide information on deregulated nucleosome occupancy and its implications in primary cancer cells is scarce. Here, we performed a systematic comparison of high-resolution nucleosome maps in peripheral-blood B-cells from patients with chronic lymphocytic leukaemia (CLL) and healthy individuals at single base pair resolution. Our investigation uncovered significant changes of both nucleosome positioning and packing in CLL. Globally, the spacing between nucleosomes (the nucleosome repeat length, NRL) was shortened in CLL. This effect was stronger in the more aggressive IGHV-unmutated than IGHV-mutated CLL subtype. Changes in nucleosome occupancy at specific sites were linked to active chromatin remodelling and reduced DNA methylation. Nucleosomes lost or gained in CLL in comparison with non-malignant B-cells marked differential binding of 3D chromatin organisers such as CTCF as well as immune response-related transcription factors, allowing delineating epigenetic mechanisms affected in CLL. Furthermore, patients could be better assigned to CLL subtypes according to nucleosome occupancy at cancer-specific sites than based on DNA methylation or gene expression. Thus, nucleosome positioning constitutes a novel readout to dissect molecular mechanisms of disease progression and to stratify patients. Furthermore, we anticipate that the global nucleosome positioning changes detected in our study, like the reduced NRL, can be exploited for liquid biopsy applications based on cell-free DNA to monitor disease progression.

The CCCTC-binding factor (CTCF) organises the genome in 3D through DNA loops and in 1D by setting boundaries isolating different chromatin states, but these processes are not well understood. Here we focus on the relationship between CTCF binding and the decrease of the Nucleosome Repeat Length (NRL) for ∼20 adjacent nucleosomes, affecting up to 10% of the mouse genome. We found that the chromatin boundary near CTCF is created by the nucleosome-depleted region (NDR) asymmetrically located >40 nucleotides 5’-upstream from the centre of CTCF motif. The strength of CTCF binding to DNA is correlated with the decrease of NRL near CTCF and anti-correlated with the level of asymmetry of the nucleosome array. Individual chromatin remodellers have different contributions, with Snf2h having the strongest effect on the NRL decrease near CTCF and Chd4 playing a major role in the symmetry breaking. Upon differentiation of embryonic stem cells to neural progenitor cells and embryonic fibroblasts, a subset of common CTCF sites preserved in all three cell types maintains a relatively small local NRL despite genome-wide NRL increase. The sites which lost CTCF upon differentiation are characterised by nucleosome rearrangement 3’-downstream, but the boundary defined by the NDR 5’-upstream of CTCF motif remains.

Abstract The mammalian epigenome contains thousands of heterochromatin nanodomains (HNDs) marked by di- and trimethylation of histone H3 at lysine 9, which have a typical size of 3-10 nucleosomes. However, the (epi)genetic determinants of their location and boundaries are only partly understood. Here, we compare four HND types in mouse embryonic stem cells, that are defined by histone methylases SUV39H1/2 or GLP, transcription factor ADNP or chromatin remodeller ATRX. Based on a novel chromatin hierarchical lattice framework termed ChromHL, we are able to predict HND maps with singe-nucleotide resolution. We find that HND nucleation can be rationalized by DNA sequence specific protein binding to PAX3/9, ADNP and LINE1 repeats. Depending on type of microdomains, boundaries are determined either by CTCF binding sites or by nucleosome-nucleosome and nucleosome-HP1 interactions. Our new framework allows predicting how patterns of H3K9me2/3 and other chromatin nanodomains are established and changed in processes such as cell differentiation.

Abstract Mesenchymal stem cells (MSCs) are part of the tumour microenvironment and have been implicated in tumour progression. We found the number of MSCs significantly increased in tumour-burdened mice driven by Fas-threshold signalling. Consequently, MSCs lacking Fas lost their ability to induce metastasis development in a pancreatic cancer model. Mixing of MSCs with pancreatic cancer cells led to sustained production of the pro-metastatic cytokines CCL2 and IL6 by the stem cells. The levels of these cytokines depended on the number of MSCs, linking Fas-mediated MSC-proliferation to their capacity to promote tumour progression. Furthermore, we discovered that CCL2 and IL6 were induced by pancreatic cancer cell-derived IL1. Analysis of patient transcriptomic data revealed that high FasL expression correlates with high levels of MSC markers as well as increased IL6 and CCL2 in pancreatic tumours. Moreover, both FasL and CCL2 are linked to elevated levels of markers specific for monocytes known to possess further pro-metastatic activities. These results confirm our experimental findings of a FasL-MSC-IL1-CCL2/IL6 axis in pancreatic cancer and highlight the role MSCs play in tumour progression.

Nucleosome repositioning in cancer is believed to cause many changes in genome organisation and gene expression. Understanding these changes is important to elucidate fundamental aspects of cancer. It is also important for medical diagnostics based on cell-free DNA (cfDNA), which originates from genomic DNA regions protected from digestion by nucleosomes. Here we have generated high resolution nucleosome maps in paired tumour and normal tissues from the same breast cancer patients using MNase-assisted histone H3 ChIP-seq and compared them with the corresponding cfDNA from blood plasma. This analysis has detected single-nucleosome repositioning at key regulatory regions in a patient-specific manner and common cancer-specific patterns across patients. The nucleosomes gained in tumour versus normal tissue were particularly informative of cancer pathways, with ~20-fold enrichment at CpG islands, a large fraction of which marked promoters of genes encoding DNA-binding proteins. In addition, tumour tissues were characterised by a 5-10 bp decrease in the average distance between nucleosomes (nucleosome repeat length, NRL), which is qualitatively similar to the differences between pluripotent and differentiated cells. These effects were correlated with gene activity, DNA sequence repeats abundance, differential DNA methylation and binding of linker histone variants H1.4 and H1X. Our findings provide a new mechanistic understanding of nucleosome repositioning in tumour tissues that can be valuable for patient stratification and monitoring using liquid biopsies.

Abstract Background A CAG repeat expansion in THAP11 was recently found to be associated with spinocerebellar ataxia in two Chinese families. Expanded repeats ranged from 45 to 100 units, with CAA sequence interruptions in the 5′ region and an uninterrupted CAG tract in the 3′ tail. Objective Here, we assess the population distribution of the THAP11 repeat, and its contribution to neurological diseases. Methods We interrogated data from 54,788 individuals from Genomics England, 10,686 patients from the UCL Queen Square Institute of Neurology in‐house database (UCL IoN), and 424,340 individuals from the UK Biobank. Results We identified expanded repeats in four individuals with learning difficulties without ataxia and in three individuals in UK Biobank, one with hereditary ataxia, one with hereditary neuropathy, and one with neurodegenerative disease. We showed a linear relationship between the number of CAA interruptions and overall repeat length. Conclusions These results indicate that THAP11 expansions are rare in the British population and that sequence structures predisposed to expansions may be more common in non‐British ancestries. © 2024 The Author(s). Movement Disorders published by Wiley Periodicals LLC on behalf of International Parkinson and Movement Disorder Society.

CTCF is an evolutionarily conserved and ubiquitously expressed architectural protein regulating a plethora of cellular functions via different molecular mechanisms. CTCF can undergo a number of post-translational modifications which change its properties and functions. One such modifications linked to cancer is poly(ADP-ribosyl)ation (PARylation). The highly PARylated CTCF form has an apparent molecular mass of 180 kDa (referred to as CTCF180), which can be distinguished from hypo- and non-PARylated CTCF with the apparent molecular mass of 130 kDa (referred to as CTCF130). The existing data accumulated so far have been mainly related to CTCF130. However, the properties of CTCF180 are not well understood despite its abundance in a number of primary tissues. In this study we performed ChIP-seq and RNA-seq analyses in human breast cells 226LDM, which display predominantly CTCF130 when proliferating, but CTCF180 upon cell cycle arrest. We observed that in the arrested cells the majority of sites lost CTCF, whereas fewer sites gained CTCF or remain bound (i.e. common sites). The classical CTCF binding motif was found in the lost and common, but not in the gained sites. The changes in CTCF occupancies in the lost and common sites were associated with increased chromatin densities and altered expression from the neighboring genes. Based on these results we propose a model integrating the CTCF130/180 transition with CTCF-DNA binding and gene expression changes. This study also issues an important cautionary note concerning the design and interpretation of any experiments using cells and tissues where CTCF180 may be present.