SUMMARY The RING E3 ubiquitin ligase UHRF1 is an established cofactor for DNA methylation inheritance. Nucleosomal engagement through histone and DNA interactions directs UHRF1 ubiquitin ligase activity toward lysines on histone H3 tails, creating binding sites for DNMT1 through ubiquitin interacting motifs (UIM1 and UIM2). Here, we profile contributions of UHRF1 and DNMT1 to genome-wide DNA methylation inheritance and dissect specific roles for ubiquitin signaling in this process. We reveal DNA methylation maintenance at low-density CpGs is vulnerable to disruption of UHRF1 ubiquitin ligase activity and DNMT1 ubiquitin reading activity through UIM1. Hypomethylation of low-density CpGs in this manner induces formation of partially methylated domains (PMD), a methylation signature observed across human cancers. Furthermore, disrupting DNMT1 UIM2 function abolishes DNA methylation maintenance. Collectively, we show DNMT1-dependent DNA methylation inheritance is a ubiquitin-regulated process and suggest a disrupted UHRF1-DNMT1 ubiquitin signaling axis contributes to the development of PMDs in human cancers.

Replication timing is known to facilitate the establishment of epigenome, however, the intimate connection between DNA replication timing and changes to the genome and epigenome in cancer remain uncharted. Here, we perform Repli-Seq and integrated epigenome analysis and show that early-replicating loci are predisposed to hypermethylation and late-replicating loci to hypomethylation, enrichment of H3K27me3 and concomitant loss of H3K9me3. We find that altered replication timing domains correspond to long-range epigenetically deregulated regions in prostate cancer, and a subset of these domains are remarkably conserved across cancers from different tissue origins. Analyses of 214 prostate and 35 breast cancer genomes reveal that late-replicating DNA is prone to cis and early- replicating DNA to trans chromosomal rearrangements. We propose that differences in epigenetic deregulation related to spatial and temporal positioning between early and late replication potentiate the landscape of chromosomal rearrangements in cancer.

5-methylcytosine (m5C) is a prevalent base modification in tRNA and rRNA but it also occurs more broadly in the transcriptome, including in mRNA, where it serves incompletely understood molecular functions. In pursuit of potential links of m5C with mRNA translation, we performed polysome profiling of human HeLa cell lysates and subjected RNA from resultant fractions to efficient bisulfite conversion followed by RNA sequencing (bsRNA-seq). Bioinformatic filters for rigorous site calling were devised to reduce technical noise. We obtained ~1,000 candidate m5C sites in the wider transcriptome, most of which were found in mRNA. Multiple novel sites were validated by amplicon-specific bsRNA-seq in independent samples of either human HeLa, LNCaP and PrEC cells. Furthermore, RNAi-mediated depletion of either the NSUN2 or TRDMT1 m5C:RNA methyltransferases showed a clear dependence on NSUN2 for the majority of tested sites in both mRNAs and noncoding RNAs. Candidate m5C sites in mRNAs are enriched in 5-prime UTRs and near start codons, and are commonly embedded in a local context reminiscent of the NSUN2-dependent m5C sites found in the variable loop of tRNA. Analysing mRNA sites across the polysome profile revealed that modification levels, at bulk and for many individual sites, were inversely correlated with ribosome association. Altogether, these findings emphasise the major role of NSUN2 in making this mark transcriptome-wide and further substantiate a functional interdependence of cytosine methylation level with mRNA translation.

Background Multiplex bisulphite PCR sequencing is a convenient and scalable method to comprehensively profile DNA methylation at selected loci. The method is useful for validation of methylation biomarker panels on large clinical cohorts, as it can be applied to DNA isolated from fresh tissue, archival formalin fixed paraffin embedded tissue (FFPET) or circulating cell free DNA in plasma. However, successful clinical implementation of DNA methylation biomarkers for disease detection using multiplex bisulphite PCR sequencing, requires user-friendly sample analysis methods and a diversity of visualisation options, which are not met by current tools.Results We have developed a computational pipeline with an interactive graphical interface, called MethPanel , in order to rapidly analyse multiplex bisulphite PCR sequencing data. MethPanel comprises a complete analysis workflow from genomic alignment to DNA methylation calling and supports an unlimited number of PCR amplicons and input samples. Moreover, MethPanel offers important and unique features, such as calculation of a polymorphism score and bisulphite PCR bias correction capabilities. MethPanel is designed so that the methylation data from all samples can be run in parallel on either a personal computer or a high performance computer. The outputs are also automatically forwarded to a shinyApp for convenient display, visualisation and sharing data with collaborators and clinicians. Importantly the data is centralised in one location, which aids storage management.Availability and Implementation MethPanel is freely available at Conclusion MethPanel provides a novel parallel pipeline and interactive analysis tool for multiplex bisulphite PCR sequencing to assess DNA methylation marker panels for disease detection.

MicroRNAs are potent post-transcriptional regulators involved in all hallmarks of cancer. Mir-196a is transcribed from two loci and has been implicated in a wide range of developmental and pathogenic processes, with targets including Hox, Fox, Cdk inhibitors and annexins. Genetic variants and altered expression of miR196a are associated with risk and progression of multiple cancers including breast cancer, however little is known about the regulation of the genes encoding this miRNA, nor the impact of variants therein. Here we demonstrate that MIR196A displays complex and dynamic expression patterns, in part controlled by long range transcriptional regulation between promoter and enhancer elements bound by ERα. Expression of this miRNA is significantly increased in models of hormone receptor positive disease resistance. The expression of MIR196A also proves to be a robust prognostic factor for patients with advanced and post-menopausal ER+ disease. This work sheds light on the normal and abnormal regulation of MIR196A and provides a novel stratification method for therapeutically resistant breast cancer.

Full differentiation potential along with self-renewal capacity is a major property of pluripotent stem cells (PSCs). However, the differentiation capacity frequently decreases during expansion of PSCs in vitro. We show here that transient exposure to a single microRNA, expressed at early stages during normal development, improves the differentiation capacity of already-established murine and human PSCs. Short exposure to miR-203 in PSCs ( mi PSCs) results in expanded differentiation potency as well as improved efficiency in stringent assays such as tetraploid complementation and human-mouse interspecies chimerism. Mechanistically, these effects are mediated by direct repression of de novo DNA methyltransferases Dnmt3a and Dnmt3b, leading to transient and reversible erasing of DNA methylation. As a proof of concept, miR-203 improves differentiation and maturation of PSCs into cardiomyocytes in vitro as well as cardiac regeneration in vivo, after cardiac injury. These data support the use of transient exposure to miR-203 as a general and single method to reset the epigenetic memory in PSCs, and improve their use in regenerative medicine.

ABSTRACT Background BRG1 (encoded by SMARCA4 ) is a catalytic component of the SWI/SNF chromatin remodelling complex, with key roles in modulating DNA accessibility. Dysregulation of BRG1 is observed, but functionally uncharacterised, in a wide range of malignancies. We have probed the functions of BRG1 on a background of prostate cancer to investigate how BRG1 controls gene expression programs and cancer cell behaviour. Results Our investigation of SMARCA4 revealed that BRG1 is universally overexpressed in 486 tumours from The Cancer Genome Atlas prostate cohort, as well as in a complementary panel of 21 prostate cell lines. Next, we utilised a temporal model of BRG1 depletion to investigate the molecular effects on global transcription programs. Unexpectedly, depleting BRG1 had no impact on alternative splicing and conferred only modest effect on global expression. However, of the transcriptional changes that occurred, most manifested as down-regulated expression. Deeper examination found the common thread linking down-regulated genes was involvement in proliferation, including several known to increase prostate cancer proliferation ( KLK2 , PCAT1 and VAV3 ). Interestingly, the promoters of genes driving proliferation were bound by BRG1 as well as the oncogenic transcription factors, AR and FOXA1. We also noted that BRG1 depletion repressed genes involved in cell cycle progression and DNA replication but intriguingly, these pathways operated independently of AR and FOXA1. In agreement with transcriptional changes, depleting BRG1 conferred G1 arrest. Conclusions Our data have revealed that BRG1 has capacity to drive oncogenesis by coordinating oncogenic pathways dependent on BRG1 for proliferation, cell cycle progression and DNA replication.