The prevalent DNA modification in higher organisms is the methylation of cytosine to 5-methylcytosine (5mC), which is partially converted to 5-hydroxymethylcytosine (5hmC) by the Tet (ten eleven translocation) family of dioxygenases. Despite their importance in epigenetic regulation, it is unclear how these cytosine modifications are reversed. Here, we demonstrate that 5mC and 5hmC in DNA are oxidized to 5-carboxylcytosine (5caC) by Tet dioxygenases in vitro and in cultured cells. 5caC is specifically recognized and excised by thymine-DNA glycosylase (TDG). Depletion of TDG in mouse embyronic stem cells leads to accumulation of 5caC to a readily detectable level. These data suggest that oxidation of 5mC by Tet proteins followed by TDG-mediated base excision of 5caC constitutes a pathway for active DNA demethylation.

Somatic loss-of-function mutations in the ten-eleven translocation 2 (TET2) gene occur in a significant proportion of patients with myeloid malignancies. Although there are extensive genetic data implicating TET2 mutations in myeloid transformation, the consequences of Tet2 loss in hematopoietic development have not been delineated. We report here an animal model of conditional Tet2 loss in the hematopoietic compartment that leads to increased stem cell self-renewal in vivo as assessed by competitive transplant assays. Tet2 loss leads to a progressive enlargement of the hematopoietic stem cell compartment and eventual myeloproliferation in vivo, including splenomegaly, monocytosis, and extramedullary hematopoiesis. In addition, Tet2(+/-) mice also displayed increased stem cell self-renewal and extramedullary hematopoiesis, suggesting that Tet2 haploinsufficiency contributes to hematopoietic transformation in vivo.

Song et al. present the first method for global analysis of 5-hydroxymethylcytosine, a recently identified epigenetic modification in mammalian cells. They use a bacteriophage-derived enzyme to tag the hydroxymethyl group with an azide-modified glucose residue that can be used for affinity purification and sequencing of modified genomic DNA fragments. In contrast to 5-methylcytosine (5-mC), which has been studied extensively1,2,3, little is known about 5-hydroxymethylcytosine (5-hmC), a recently identified epigenetic modification present in substantial amounts in certain mammalian cell types4,5. Here we present a method for determining the genome-wide distribution of 5-hmC. We use the T4 bacteriophage β-glucosyltransferase to transfer an engineered glucose moiety containing an azide group onto the hydroxyl group of 5-hmC. The azide group can be chemically modified with biotin for detection, affinity enrichment and sequencing of 5-hmC–containing DNA fragments in mammalian genomes. Using this method, we demonstrate that 5-hmC is present in human cell lines beyond those previously recognized4. We also find a gene expression level–dependent enrichment of intragenic 5-hmC in mouse cerebellum and an age-dependent acquisition of this modification in specific gene bodies linked to neurodegenerative disorders.

The study of 5-hydroxylmethylcytosines (5hmC) has been hampered by the lack of a method to map it at single-base resolution on a genome-wide scale. Affinity purification-based methods cannot precisely locate 5hmC nor accurately determine its relative abundance at each modified site. We here present a genome-wide approach, Tet-assisted bisulfite sequencing (TAB-Seq), that when combined with traditional bisulfite sequencing can be used for mapping 5hmC at base resolution and quantifying the relative abundance of 5hmC as well as 5mC. Application of this method to embryonic stem cells not only confirms widespread distribution of 5hmC in the mammalian genome but also reveals sequence bias and strand asymmetry at 5hmC sites. We observe high levels of 5hmC and reciprocally low levels of 5mC near but not on transcription factor-binding sites. Additionally, the relative abundance of 5hmC varies significantly among distinct functional sequence elements, suggesting different mechanisms for 5hmC deposition and maintenance.

DNA methylation in the context of epigenetics occurs on the 5' position of cytosine, which can be further oxidized by enzymes from the Ten-eleven translocation (Tet) family, resulting in 5-hydroxymethylcytosine (5-hmC). In the context of embryonic stem cells, Tet and 5-hmC DNA act in an alternate epigenetic state that regulates epigenetic programming and stem cell differentiation. Here, the authors describe the epigenomic profiling of 5-hmC in mouse and human brain across different time periods during development and aging. DNA methylation dynamics influence brain function and are altered in neurological disorders. 5-hydroxymethylcytosine (5-hmC), a DNA base that is derived from 5-methylcytosine, accounts for ∼40% of modified cytosine in the brain and has been implicated in DNA methylation–related plasticity. We mapped 5-hmC genome-wide in mouse hippocampus and cerebellum at three different ages, which allowed us to assess its stability and dynamic regulation during postnatal neurodevelopment through adulthood. We found developmentally programmed acquisition of 5-hmC in neuronal cells. Epigenomic localization of 5-hmC–regulated regions revealed stable and dynamically modified loci during neurodevelopment and aging. By profiling 5-hmC in human cerebellum, we found conserved genomic features of 5-hmC. Finally, we found that 5-hmC levels were inversely correlated with methyl-CpG–binding protein 2 dosage, a protein encoded by a gene in which mutations cause Rett syndrome. These data suggest that 5-hmC–mediated epigenetic modification is critical in neurodevelopment and diseases.

TET proteins oxidize 5-methylcytosine (5mC) to 5-hydroxymethylcytosine (5hmC), 5-formylcytosine (5fC), and 5-carboxylcytosine (5caC). 5fC and 5caC are excised by mammalian DNA glycosylase TDG, implicating 5mC oxidation in DNA demethylation. Here, we show that the genomic locations of 5fC can be determined by coupling chemical reduction with biotin tagging. Genome-wide mapping of 5fC in mouse embryonic stem cells (mESCs) reveals that 5fC preferentially occurs at poised enhancers among other gene regulatory elements. Application to Tdg null mESCs further suggests that 5fC production coordinates with p300 in remodeling epigenetic states of enhancers. This process, which is not influenced by 5hmC, appears to be associated with further oxidation of 5hmC and commitment to demethylation through 5fC. Finally, we resolved 5fC at base resolution by hydroxylamine-based protection from bisulfite-mediated deamination, thereby confirming sites of 5fC accumulation. Our results reveal roles of active 5mC/5hmC oxidation and TDG-mediated demethylation in epigenetic tuning at regulatory elements.

Bisulfite sequencing has been the gold standard for mapping DNA modifications including 5-methylcytosine (5mC) and 5-hydroxymethylcytosine (5hmC) for decades1–4. However, this harsh chemical treatment degrades the majority of the DNA and generates sequencing libraries with low complexity2,5,6. Here, we present a bisulfite-free and base-level-resolution sequencing method, TET-assisted pyridine borane sequencing (TAPS), for detection of 5mC and 5hmC. TAPS combines ten-eleven translocation (TET) oxidation of 5mC and 5hmC to 5-carboxylcytosine (5caC) with pyridine borane reduction of 5caC to dihydrouracil (DHU). Subsequent PCR converts DHU to thymine, enabling a C-to-T transition of 5mC and 5hmC. TAPS detects modifications directly with high sensitivity and specificity, without affecting unmodified cytosines. This method is nondestructive, preserving DNA fragments over 10 kilobases long. We applied TAPS to the whole-genome mapping of 5mC and 5hmC in mouse embryonic stem cells and show that, compared with bisulfite sequencing, TAPS results in higher mapping rates, more even coverage and lower sequencing costs, thus enabling higher quality, more comprehensive and cheaper methylome analyses. A new method using mild chemical reactions and enzymatic oxidation allows nondestructive sequencing of 5-methylcytosine and 5-hydroxymethylcytosine with base-level resolution.

Covalent modification of DNA distinguishes cellular identities and is crucial for regulating the pluripotency and differentiation of embryonic stem (ES) cells. The recent demonstration that 5-methylcytosine (5-mC) may be further modified to 5-hydroxymethylcytosine (5-hmC) in ES cells has revealed a novel regulatory paradigm to modulate the epigenetic landscape of pluripotency. To understand the role of 5-hmC in the epigenomic landscape of pluripotent cells, here we profile the genome-wide 5-hmC distribution and correlate it with the genomic profiles of 11 diverse histone modifications and six transcription factors in human ES cells. By integrating genomic 5-hmC signals with maps of histone enrichment, we link particular pluripotency-associated chromatin contexts with 5-hmC. Intriguingly, through additional correlations with defined chromatin signatures at promoter and enhancer subtypes, we show distinct enrichment of 5-hmC at enhancers marked with H3K4me1 and H3K27ac. These results suggest potential role(s) for 5-hmC in the regulation of specific promoters and enhancers. In addition, our results provide a detailed epigenomic map of 5-hmC from which to pursue future functional studies on the diverse regulatory roles associated with 5-hmC.

Abstract Background 5-methylcytosine (mC) can be oxidized by the tet methylcytosine dioxygenase (Tet) family of enzymes to 5-hydroxymethylcytosine (hmC), which is an intermediate of mC demethylation and may also be a stable epigenetic modification that influences chromatin structure. hmC is particularly abundant in mammalian brains but its function is currently unknown. A high-resolution hydroxymethylome map is required to fully understand the function of hmC in the human brain. Results We present genome-wide and single-base resolution maps of hmC and mC in the human brain by combined application of Tet-assisted bisulfite sequencing and bisulfite sequencing. We demonstrate that hmCs increase markedly from the fetal to the adult stage, and in the adult brain, 13% of all CpGs are highly hydroxymethylated with strong enrichment at genic regions and distal regulatory elements. Notably, hmC peaks are identified at the 5′splicing sites at the exon-intron boundary, suggesting a mechanistic link between hmC and splicing. We report a surprising transcription-correlated hmC bias toward the sense strand and an mC bias toward the antisense strand of gene bodies. Furthermore, hmC is negatively correlated with H3K27me3-marked and H3K9me3-marked repressive genomic regions, and is more enriched at poised enhancers than active enhancers. Conclusions We provide single-base resolution hmC and mC maps in the human brain and our data imply novel roles of hmC in regulating splicing and gene expression. Hydroxymethylation is the main modification status for a large portion of CpGs situated at poised enhancers and actively transcribed regions, suggesting its roles in epigenetic tuning at these regions.