Abstract Aberrant DNA methylation in the region surrounding the transcription start site is a hallmark of gene silencing in cancer. Currently approved demethylating agents lack specificity and exhibit high toxicity. Herein we show, using the p16 gene as an example, that targeted demethylation of the promoter-exon 1-intron 1 (PrExI) region initiates an epigenetic wave of local chromatin remodeling and distal long-range interactions, culminating in gene-locus specific activation. Through development of CRISPR-DiR (DNMT1-interacting RNA), in which ad hoc edited guides block methyltransferase activity in a locus-specific fashion, we demonstrate that demethylation is coupled to epigenetic and topological changes. These results suggest the existence of a specialized “demethylation firing center (DFC)” which can be switched on by an adaptable and selective RNA-mediated approach for locus-specific transcriptional activation. One Sentence Summary Locus demethylation via CRISPR-DiR reshapes chromatin structure and specifically reactivates its cognate gene.

Summary The zinc finger transcription factor SALL4 is highly expressed in embryonic stem cells, down-regulated in most adult tissues, but reactivated in many aggressive cancers. This unique expression pattern makes SALL4 an attractive target for designing therapeutic strategies. However, whether SALL4 binds DNA directly to regulate gene expression is unclear and many of its targets in cancer cells remain elusive. Here, through an unbiased screen of protein binding microarray (PBM) and Cleavage Under Targets and Release Using Nuclease (CUT&RUN) experiments, we identified and validated the DNA binding domain of SALL4 and its consensus binding sequence. Combined with RNA-seq analyses after SALL4 knockdown, we discovered hundreds of new SALL4 target genes that it directly regulates in aggressive liver cancer cells, including genes encoding a family of Histone 3 Lysine 9-specific Demethylases (KDMs). Taken together, these results elucidated the mechanism of SALL4 DNA binding and revealed novel pathways and molecules to target in SALL4-dependent tumors.

Abstract The mechanisms by which epigenetic modifications are established in gene regulatory regions of active genes remain poorly understood. The data presented show that the establishment and recycling of a major epigenetic mark, the acetylated form of the replacement histone H2A.Z, is regulated by cell cycle-specific long noncoding RNAs encoded in regions adjacent to the promoters of active genes. These transcripts, termed SPEARs (S Phase EArly RNAs), are induced in early S phase: their expression precedes that of the downstream genes on which they exert their regulatory action. SPEARs drive the modification and deposition of the acetylated form of histone H2A.Z by bringing together the replacement histone and the histone acetyl transferase TIP60. This widespread bimodal pathway constitutes a novel RNA-mediated mechanism for the establishment of epigenetic marks and cell-specific epigenetic profiles, thereby providing a unifying explanation for the accuracy and persistence of epigenetic marks on chromatin.

Abstract Nutritional intake impacts the human epigenome by directing epigenetic pathways in normal cell development via as yet unknown molecular mechanisms. Consequently, imbalance in the nutritional intake is able to dysregulate the epigenetic profile and drive cells towards malignant transformation. Herein, we present a novel epigenetic effect of the essential nutrient, NAD. We demonstrate that impairment of DNMT1 enzymatic activity by NAD-promoted ADP-ribosylation, leads to demethylation and transcriptional activation of CEBPA gene, suggesting the existence of an unknown NAD-controlled region within the locus. In addition to the molecular events, NAD treated cells exhibit significant morphological and phenotypical changes that correspond to myeloid differentiation. Collectively, these results delineate a novel role for NAD in cell differentiation and indicate novel nutri-epigenetic strategy to regulate and control gene expression in human cells.

Abstract ChIP-Seq is a technique used to analyse protein-DNA interactions. The protein-DNA complex is pulled down using a protein antibody, after which sequencing and analysis of the bound DNA fragments is performed. A key bioinformatics analysis step is “peak” calling - identifying regions of enrichment. Benchmarking studies have consistently shown that no optimal peak caller exists. Peak callers have distinct selectivity and specificity characteristics which are often not additive and seldom completely overlap in many scenarios. In the absence of a universal peak caller, we rationalized one ought to utilize multiple peak-callers to 1) gauge peak confidence as determined through detection by multiple algorithms, and 2) more thoroughly survey the protein-bound landscape by capturing peaks not detected by individual peak callers owing to algorithmic limitations and biases. We therefore developed an integrated ChIP-Seq Analysis Pipeline (ChIP-AP) which performs all analysis steps from raw fastq files to final result, and utilizes four commonly used peak callers to more thoroughly and comprehensively analyse datasets. Results are integrated and presented in a single file enabling users to apply selectivity and sensitivity thresholds to select the consensus peak set, the union peak set, or any sub-set in-between to more confidently and comprehensively explore the protein-bound landscape. ( https://github.com/JSuryatenggara/ChIP-AP ).

Abstract C/EBPα has known to be a transcription factor that involved in Neutrophil differentiation for decades. However, exploring the Chromatin RNA Immunoprecipitation Sequencing (RIP), we discover that C/EBPα is a RNA binding protein mainly interacts with RNA introns. Structure study and RNA electrophoretic mobility shift assay (REMSA) show that C/EBPα interacts with RNA through two novel RNA binding domains distinct from its DNA binding domain. Mouse bone marrow transplantation and in vitro cytokine assay reveal that C/EBPα RNA binding is critical for Macrophage differentiation but not Neutrophil differentiation. Mechanically, RNA binding domains control specific gene transcription. In particular, PU.1 intron 4 RNA interacts with C/EBPα and recruit C/EBPα to its enhancer site, which facilitate PU.1 expression. Taken together, C/EBPα is demonstrated to be a RNA binding protein with unique function distinct from its DNA binding activity. Our finding transforms our knowledge of transcriptional regulation by transcription factor. One-Sentence Summary C/EBPα interacts with RNA through novel RNA binding domains and regulates PU.1 expression during Macrophage differentiation.

Abstract Oncofetal transcription factor SALL4 is essential for cancer cell survival. 1-5 Recently, several groups reported that immunomodulatory imide drugs (IMiDs) could degrade SALL4 in a proteasome-dependent manner. 6,7 Intriguingly, we observed that IMiDs had no effect on SALL4-positive cancer cells. Further studies demonstrated that IMiDs could only degrade SALL4A, one of the SALL4 isoforms. This finding raises the possibility that SALL4B, the isoform not affected by IMiDs, may be essential for SALL4-mediated cancer cell survival. SALL4B knockdown led to an increase in apoptosis and inhibition of cancer cell growth. SALL4B gain-of-function alone led to liver tumor formation in mice. Our observation that protein degraders can possess isoform-specific effects exemplifies the importance of delineating drug action and oncogenesis at the isoform level to develop more effective cancer therapeutics.

Summary Coordinated initiation of DNA replication is essential to ensure efficient and timely DNA synthesis. Yet, the mechanism governing the “initiation” process in eukaryotic cells remains elusive. Here, we present data demonstrating a novel feature of RNAs transcribed in the proximity of actively replicating gene loci. We show that S-ph A se-RNAs a NC horing OR C1 (ANCOR s ) to the histone variant H2A.Z are licensors of the DNA replication process. The concomitant ANCOR-H2A.Z interaction is essential for the cells to initiate duplication of their genetic heritage. Widespread and locus-specific perturbations of these transcripts correlate with anomalous replication patterns and loss of the replicative marker at the origin site. Collectively, we unveil an RNA-mediated mechanism as the missing link for the generation of active replication origins and delineate a potential strategy to modulate replication in human cells at a local and global level.

Immunomodulatory imide drugs (IMiDs) degrade specific C2H2 zinc finger degrons in transcription factors, making them effective against certain cancers. SALL4, a cancer driver, contains seven C2H2 zinc fingers in four clusters, including an IMiD degron in zinc finger cluster two (ZFC2). Surprisingly, IMiDs do not inhibit growth of SALL4 expressing cancer cells. To overcome this limit, we focused on a non-IMiD degron, SALL4 zinc finger cluster four (ZFC4). By combining AlphaFold and the ZFC4-DNA crystal structure, we identified a potential ZFC4 drug pocket. Utilizing an in silico docking algorithm and cell viability assays, we screened chemical libraries and discovered SH6, which selectively targets SALL4-expressing cancer cells. Mechanistic studies revealed that SH6 degrades SALL4 protein through the CUL4A/CRBN pathway, while deletion of ZFC4 abolished this activity. Moreover, SH6 led to significant 62% tumor growth inhibition of SALL4+ xenografts in vivo and demonstrated good bioavailability in pharmacokinetic studies. In summary, these studies represent a new approach for IMiD independent drug discovery targeting C2H2 transcription factors in cancer.

ABSTRACT The mechanism underlying cell type-specific gene induction conferred by ubiquitous transcription factors as well as disruptions caused by their chimeric derivatives in leukemia is not well understood. Here we investigate whether RNAs coordinate with transcription factors to drive myeloid gene transcription. In an integrated genome-wide approach surveying for gene loci exhibiting concurrent RNA- and DNA-interactions with the broadly expressed transcription factor RUNX1, we identified the long noncoding RNA LOUP . This myeloid-specific and polyadenylated lncRNA induces myeloid differentiation and inhibits cell growth, acting as a transcriptional inducer of the myeloid master regulator PU . 1 . Mechanistically, LOUP recruits RUNX1 to both the PU . 1 enhancer and the promoter, leading to the formation of an active chromatin loop. In t(8;21) acute myeloid leukemia, wherein RUNX1 is fused to ETO, the resulting oncogenic fusion protein RUNX1-ETO limits chromatin accessibility at the LOUP locus, causing inhibition of LOUP and PU . 1 expression. These findings highlight the important role of the interplay between cell type-specific RNAs and transcription factors as well as their oncogenic derivatives in modulating lineage-gene activation and raise the possibility that RNA regulators of transcription factors represent alternative targets for therapeutic development. KEY POINTS lncRNA LOUP coordinates with RUNX1 to induces PU . 1 long-range transcription, conferring myeloid differentiation and inhibiting cell growth. RUNX1-ETO limits chromatin accessibility at the LOUP locus, causing inhibition of LOUP and PU . 1 expression in t(8;21) AML.