ABSTRACT HMCES can covalently crosslink to abasic sites in single-stranded DNA at stalled replication forks to prevent genome instability. Here, we report crystal structures of the HMCES SRAP domain in complex with DNA-damage substrates, revealing interactions with both single-stranded and duplex segments of 3’ overhang DNA. HMCES may also bind gapped DNA and 5’ overhang structures to align single stranded abasic sites for crosslinking to the conserved Cys2 of its catalytic triad.

Abstract Background Like its parent base 5-methylcytosine (5mC), 5-hydroxymethylcytosine (5hmC) is a direct epigenetic modification of cytosines in the context of CpG dinucleotides. 5hmC is the most abundant oxidized form of 5mC, generated through the action of TET dioxygenases at gene bodies of actively-transcribed genes and at active or lineage-specific enhancers. Although such enrichments are reported for 5hmC, to date, predictive models of gene expression state or putative regulatory regions for genes using 5hmC have not been developed. Results Here, by using only 5hmC enrichment in genic regions and their vicinity, we develop neural network models that predict gene expression state across 49 cell types. We show that our deep neural network models distinguish high vs low expression state utilizing only 5hmC levels and these predictive models generalize to unseen cell types. Further, in order to leverage 5hmC signal in distal enhancers for expression prediction, we employ an Activity-by-Contact model and also develop a graph convolutional neural network model with both utilizing Hi-C data and 5hmC enrichment to prioritize enhancer-promoter links. These approaches identify known and novel putative enhancers for key genes in multiple immune cell subsets. Conclusions Our work highlights the importance of 5hmC in gene regulation through proximal and distal mechanisms and provides a framework to link it to genome function. With the recent advances in 6-letter DNA sequencing by short and long-read techniques, profiling of 5mC and 5hmC may be done routinely in the near future, hence, providing a broad range of applications for the methods developed here.

SUMMARY Although high levels of 5-hydroxymethylcytosine (5hmC) accumulate in neurons, it is not known whether 5hmC can serve as an intermediate in DNA demethylation in postmitotic neurons. We report high resolution mapping of DNA methylation and hydroxymethylation, chromatin accessibility, and histone marks in developing postmitotic Purkinje cells (PCs). Our data reveal new relationships between PC transcriptional and epigenetic programs, and identify a class of genes that lose both 5mC and 5hmC during terminal differentiation. Deletion of the 5hmC writers Tet1, Tet2, and Tet3 from postmitotic PCs prevents loss of 5mC and 5hmC in regulatory domains and gene bodies and hinders transcriptional and epigenetic developmental transitions, resulting in hyper-excitability and increased susceptibility to excitotoxic drugs. Our data demonstrate that Tet-mediated active DNA demethylation occurs in vivo, and that acquisition of the precise molecular and electrophysiological properties of adult PCs requires continued oxidation of 5mC to 5hmC during the final phases of differentiation.

TET enzymes are dioxygenases that promote DNA demethylation by oxidizing the methyl group of 5-methylcytosine (5mC) to 5-hydroxymethylcytosine (5hmC). Here we report a close correspondence between 5hmC-marked regions, chromatin accessibility and enhancer activity in B cells, and a strong enrichment for consensus binding motifs for basic region-leucine zipper (bZIP) transcription factors at TET-responsive genomic regions. Functionally, Tet2 and Tet3 regulate class switch recombination (CSR) in murine B cells by enhancing expression of Aicda, encoding the cytidine deaminase AID essential for CSR. TET enzymes deposit 5hmC, demethylate and maintain chromatin accessibility at two TET-responsive elements, TetE1 and TetE2, located within a superenhancer in the Aicda locus. Transcriptional profiling identified BATF as the bZIP transcription factor involved in TET-dependent Aicda expression. 5hmC is not deposited at TetE1 in activated Batf-deficient B cells, indicating that BATF recruits TET proteins to the Aicda enhancer. Our data emphasize the importance of TET enzymes for bolstering AID expression, and highlight 5hmC as an epigenetic mark that captures enhancer dynamics during cell activation.

Summary/Abstract We previously identified the adhesion molecule PSGL-1 as a T cell intrinsic immune checkpoint regulator of T cell exhaustion. Here we show that the ability of PSGL-1 to restrain TCR sginaling correlates with decreased expression of the Zap70 inhibitor Ubash3b (Sts-1) in PSGL-1-deficient T cells. PSGL-1-deficency in T cells supports antitumor responses to a PD-1 blockade resistant melanoma wherein tumor-specific CD8 + T cells sustain an enhanced metabolic state, with an elevated metabolic gene signature that promotes increased glycolysis and glucose uptake to support effector functions. In models of chronic virus infection and cancer, this outcome was associated with CD8 + T cell stemness, as PSGL-1 deficient CD8 + T cells displayed increased TCF-1 and decreased TOX expression, a phenotype shown to be crucial for responsiveness to checkpoint inhibition. Further, we demonstrate that PSGL-1 signaling promotes development of exhaustion in human CD8 + T cells. Finally, pharmacologic blockade of PSGL-1 was sufficient to curtail T cell exhaustion and enhance functionality both with melanoma tumors and chronic LCMV infection, demonstrating that PSGL-1 represents a therapeutic target for immunotherapy for PD-1/PD-L1 resistant tumors.

The O- GlcNAc transferase OGT interacts robustly with all three mammalian TET methylcytosine dioxygenases. We show here that deletion of the Ogt gene in mouse embryonic stem cells (mESC) results in a widespread increase in the TET product 5-hydroxymethylcytosine (5hmC) in both euchromatic and heterochromatic compartments, with concomitant reduction of the TET substrate 5-methylcytosine (5mC) at the same genomic regions. mESC engineered to abolish the TET1-OGT interaction likewise displayed a genome-wide decrease of 5mC. DNA hypomethylation in OGT-deficient cells was accompanied by de-repression of transposable elements (TEs) predominantly located in heterochromatin, and this increase in TE expression was sometimes accompanied by increased cis -expression of genes and exons located 3' of the expressed TE. Thus, the TET-OGT interaction prevents DNA demethylation and TE expression in heterochromatin by restraining TET activity genome-wide. We suggest that OGT protects the genome against DNA hypomethylation and impaired heterochromatin integrity, preventing the aberrant increase in TE expression observed in cancer, autoimmune-inflammatory diseases, cellular senescence and ageing.

Loss of function mutations in Methyl-CpG-binding Protein 2 (MeCP2) cause the severe neurological disorder Rett Syndrome. MeCP2 is a highly abundant nuclear protein particularly enriched in neurons. Although biochemical and genomic analyses of MeCP2-DNA interaction and genomic distribution demonstrate that MeCP2 binding on chromatin is dependent on DNA modification state, the dynamic behavior of individual MeCP2 proteins in live neurons has not been explored. Here we use live-cell single-molecule imaging to assess the detailed kinetic features of MeCP2 in distinct sub-nuclear regions at high spatial and temporal resolution. Surprisingly, we found that, in granule cell nuclei, MeCP2 has unique diffusion and chromatin binding kinetics that are distinct from highly mobile sequence-specific transcription factors (TF) and immobile histone proteins. Approximately, half of MeCP2 is bound to DNA in a transiently stable mode that is similar to TF binding to their cognate sites. The binding of meCP2 to DNA requires its methyl-binding domain (MBD) and is sensitive to the levels of both DNA methylation and hydroxymethylation. However, when not stably bound, MeCP2 moves slowly in the nucleus most closely resembling histone H1.0. The rate of MeCP2 diffusion in compact, granule cell nuclei is determined by weak, transient DNA interactions mediated primarily by the MBD and three AT-hook domains located in the C-terminal portion of the protein. Both the fraction of stably bound MeCP2 and its rate of diffusion depend on the level of chromatin compaction and neuronal cell type. Our data reveal new features of MeCP2 that dictate its dynamic behavior in neuronal nuclei and suggest that the limited nuclear diffusion of MeCP2 in live neurons may contribute to its local impact on chromatin structure and gene expression.

Abstract Antibodies against post-translational modifications (PTMs) such as lysine acetylation, ubiquitin remnants, or phosphotyrosine have resulted in significant advances in our understanding of the fundamental roles of PTMs in biology. However, the roles of a number of PTMs remain largely unexplored due to the lack of robust enrichment reagents. The addition of N-acetylglucosamine to serine and threonine residues (O-GlcNAc) by the O-GlcNAc transferase (OGT) is a PTM implicated in numerous biological processes and disease states but with limited techniques for its study. Here, we evaluate a new mixture of anti-O-GlcNAc monoclonal antibodies for the immunoprecipitation of native O-GlcNAcylated peptides from cells and tissues. The anti-O-GlcNAc antibodies display good sensitivity and high specificity toward O-GlcNAc-modified peptides, and do not recognize O-GalNAc or GlcNAc in extended glycans. Applying this antibody-based enrichment strategy to synaptosomes from mouse brain tissue samples, we identified over 1,300 unique O-GlcNAc-modified peptides and over 1,000 sites using just a fraction of sample preparation and instrument time required in other landmark investigations of O-GlcNAcylation. Our rapid and robust method greatly simplifies the analysis of O-GlcNAc signaling and will help to elucidate the role of this challenging PTM in health and disease.

Abstract The levels of the co-transcriptional regulator IRF2BP2 (Interferon Regulatory Factor-2 Binding Protein-2) decrease with T cell activation and, when ectopically expressed, it reduces T cell proliferation. To further characterize the function of IRF2BP2 in T cell responses in vivo, we generated a conditional transgenic knock-in mouse that overexpresses IRF2BP2 in T lymphocytes. Overexpression of IRF2BP2 leads to a reduction in the T cell compartment of naive animals, upregulation of Foxp3 and Ifng ; an increase in the frequency of regulatory T cells (Tregs), a preferential Th1 differentiation with increase of IFN-γ production and a reduction of T cell proliferation, suggesting a disruption in T cell homeostasis. Interestingly, knock-in mice displayed reduced clinical and inflammatory signs of Experimental Autoimmune Encephalomyelitis (EAE) when compared to the control mice, with an augmented frequency of Treg cells. Altogether, our findings indicate that IRF2BP2 might help to control exacerbated T cell responses and point to a role for IRF2BP2 in preventing T cell autoimmunity.

Abstract O -GlcNAc transferase (OGT) catalyzes the modification of serine and threonine residues on nuclear and cytosolic proteins with O -linked N-acetylglucosamine (GlcNAc). OGT is essential for mammalian cell viability, but the underlying mechanisms are still enigmatic. We employed a genome-wide CRISPR-Cas9 viability screen in mouse embryonic stem cells (mESCs) with inducible Ogt gene deletion and showed that the block in cell viability induced by OGT deficiency stems from mitochondrial dysfunction secondary to mTOR hyperactivation. In normal cells, OGT maintains low mTOR activity and mitochondrial fitness through suppression of proteasome activity; in the absence of OGT, increased proteasome activity results in increased steady-state amino acid levels, which in turn promote mTOR lysosomal translocation and activation, and increased oxidative phosphorylation. mTOR activation in OGT-deficient mESCs was confirmed by an independent phosphoproteomic screen. Our study highlights a novel series of events whereby OGT regulates the proteasome/ mTOR/ mitochondrial axis in a manner that maintains homeostasis of intracellular amino acid levels, mitochondrial fitness and cell viability. A similar mechanism operates in CD8 + T cells, indicating its generality across mammalian cell types. Manipulating OGT activity may have therapeutic potential in diseases in which this signaling pathway is impaired.