Eukaryotic chromosomes are organized inside the nucleus in such a way that only a subset of the genome is expressed in any given cell type, but the details of this organization are largely unknown1,2,3. SATB1 (‘special AT-rich sequence binding 1’), a protein found predominantly in thymocytes4, regulates genes by folding chromatin into loop domains, tethering specialized DNA elements to an SATB1 network structure5. Ablation of SATB1 by gene targeting results in temporal and spatial mis-expression of numerous genes and arrested T-cell development, suggesting that SATB1 is a cell-type specific global gene regulator6. Here we show that SATB1 targets chromatin remodelling to the IL-2Rα (‘interleukin-2 receptor α’) gene, which is ectopically transcribed in SATB1 null thymocytes. SATB1 recruits the histone deacetylase contained in the NURD chromatin remodelling complex to a SATB1-bound site in the IL-2Rα locus, and mediates the specific deacetylation of histones in a large domain within the locus. SATB1 also targets ACF1 and ISWI, subunits of CHRAC and ACF nucleosome mobilizing complexes, to this specific site and regulates nucleosome positioning over seven kilobases. SATB1 defines a class of transcriptional regulators that function as a ‘landing platform’ for several chromatin remodelling enzymes and hence regulate large chromatin domains.

Mutations in MECP2 cause the autism-spectrum disorder Rett syndrome. MeCP2 is predicted to bind to methylated promoters and silence transcription. However, the first large-scale mapping of neuronal MeCP2-binding sites on 26.3 Mb of imprinted and nonimprinted loci revealed that 59% of MeCP2-binding sites are outside of genes and that only 6% are in CpG islands. Integrated genome-wide promoter analysis of MeCP2 binding, CpG methylation, and gene expression revealed that 63% of MeCP2-bound promoters are actively expressed and that only 6% are highly methylated. These results indicate that the primary function of MeCP2 is not the silencing of methylated promoters.

Fragile X-associated tremor/ataxia syndrome (FXTAS) is a late-onset neurodegenerative disorder caused by premutation expansions (55–200 CGG repeats) in the fragile X mental retardation 1 (FMR1) gene. The pathologic hallmark of FXTAS is the ubiquitin-positive intranuclear inclusion found in neurons and astrocytes in broad distribution throughout the brain. The pathogenesis of FXTAS is likely to involve an RNA toxic gain-of-function mechanism, and the FMR1 mRNA has recently been identified within the inclusions. However, little is known about the proteins that mediate the abnormal cellular response to the expanded CGG repeat allele. As one approach to identify the protein mediators, we have endeavoured to define the protein complement of the inclusion itself. Fluorescence-activated flow-based methods have been developed for the efficient purification of inclusions from the post-mortem brain tissue of FXTAS patients. Mass spectrometric analysis of the entire protein complement of the isolated inclusions, combined with immunohistochemical analysis of both isolated nuclei and tissue sections, has been used to identify inclusion-associated proteins. More than 20 inclusion-associated proteins have been identified on the basis of combined immunohistochemical and mass spectrometric analysis, including a number of neurofilaments and lamin A/C. There is no dominant protein species in the inclusions, and ubiquitinated proteins represent only a minor component; thus, inclusion formation is not likely to reflect a breakdown in proteasomal degradation of nuclear proteins. The list of proteins includes at least two RNA binding proteins, heterogeneous nuclear ribonucleoprotein A2 and muscle blind-like protein 1, which are possible mediators of the RNA gain-of-function in FXTAS.

Abstract Background Polychlorinated biphenyls (PCBs) are developmental neurotoxicants implicated as environmental risk factors for neurodevelopmental disorders (NDD), including autism spectrum disorders (ASD). Objective We examined the effects of prenatal exposure to a human-relevant mixture of PCBs on the DNA methylome of fetal mouse brain and placenta to determine if there was a shared subset of differentially methylated regions (DMRs). Methods A PCB mixture formulated to model the 12 most abundant congeners detected in the serum of pregnant women from a prospective high-risk ASD cohort was administered to female mice prior to and during pregnancy. Whole-genome bisulfite sequencing (WGBS) was performed to assess genome-wide DNA methylation profiles of placenta and brain on gestational day 18. Results We found thousands of significant (empirical p < 0.05) DMRs distinguishing placentas and brains from PCB-exposed embryos from sex-matched vehicle controls. In both placenta and brain, PCB-associated DMRs were significantly ( p < 0.005) enriched for functions related to neurodevelopment, cellular adhesion, and cellular signaling, and significantly (Odds Ratio > 2.4, q < 0.003) enriched for bivalent chromatin marks. The placenta and brain PCB DMRs overlapped significantly (Z-score = 4.5, p = 0.0001) by genomic coordinate and mapped to a shared subset of genes significantly ( q < 0.05) enriched for Wnt signaling, Slit/Robo signaling, and genes differentially expressed in multiple NDD/ASD models. The placenta and brain DMRs also significantly ( q < 0.05) overlapped by genomic coordinate with brain samples from humans with Rett syndrome and Dup15q syndrome. Discussion These results demonstrate that placenta can be used as a surrogate for embryonic brain DNA methylation changes over genes relevant to NDD/ASD in a mouse model of prenatal PCB exposure.

As genome sequencing technologies advance, the accumulation of sequencing data in public databases necessitates more robust and adaptable data analysis workflows. Here, we present Rocketchip, which aims to offer a solution to this problem by allowing researchers to easily compare and swap out different components of ChIP-seq, CUT&RUN, and CUT&Tag data analysis, thereby facilitating the identification of reliable analysis methodologies. Rocketchip enables researchers to efficiently process large datasets while ensuring reproducibility and allowing for the reanalysis of existing data. By supporting comparative analyses across different datasets and methodologies, Rocketchip contributes to the rigor and reproducibility of scientific findings. Furthermore, Rocketchip serves as a platform for benchmarking algorithms, allowing researchers to identify the most accurate and efficient analytical approaches to be applied to their data. In emphasizing reproducibility and adaptability, Rocketchip represents a significant step towards fostering robust scientific research practices.

Human cell line models, including the neuronal precursor line LUHMES, are important for investigating developmental transcriptional dynamics within imprinted regions, particularly the 15q11-q13 Angelman (AS) and Prader-Willi (PWS) syndrome locus. AS results from loss of maternal UBE3A in neurons, where the paternal allele is silenced by a convergent antisense transcript UBE3A-ATS, a lncRNA that normally terminates at PWAR1 in non-neurons. qRTPCR analysis confirmed the exclusive and progressive increase in UBE3A-ATS in differentiating LUHMES neurons, validating their use for studying UBE3A silencing. Genome-wide transcriptome analyses revealed changes to 11,834 genes during neuronal differentiation, including the upregulation of most genes within the 15q11-q13 locus. To identify dynamic changes in chromatin loops linked to transcriptional activity, we performed a HiChIP validated by 4C, which identified two neuron-specific CTCF loops between MAGEL2-SNRPN and PWAR1-UBE3A. To determine if allele-specific differentially methylated regions (DMR) may be associated with CTCF loop anchors, whole genome long-read nanopore sequencing was performed. We identified a paternally hypomethylated DMR near the SNRPN upstream loop anchor exclusive to neurons and a paternally hypermethylated DMR near the PWAR1 CTCF anchor exclusive to undifferentiated cells, consistent with increases in neuronal transcription. Additionally, DMRs near CTCF loop anchors were observed in both cell types, indicative of allele-specific differences in chromatin loops regulating imprinted transcription. These results provide an integrated view of the 15q11-q13 epigenetic landscape during LUHMES neuronal differentiation, underscoring the complex interplay of transcription, chromatin looping, and DNA methylation. They also provide insights for future therapeutic approaches for AS and PWS.

DNA methylation acts at the interface of genetic and environmental factors relevant for autism spectrum disorder (ASD). Placenta, normally discarded at birth, is a potentially rich source of DNA methylation patterns predictive of ASD in the child. Here, we performed whole methylome analyses of placentas from a prospective study of high-risk pregnancies. 400 differentially methylated regions (DMRs) discriminated placentas stored from children later diagnosed with ASD compared to typical controls. These ASD DMRs were significantly enriched at promoters, mapped to 596 genes functionally enriched in neuronal development, and overlapped genetic ASD risk. ASD DMRs at CYP2E1 and IRS2 reached genome-wide significance, replicated by pyrosequencing, and correlated with expression. Methylation at CYP2E1 associated with both ASD diagnosis and cis genotype, while methylation at IRS2 was unaffected by cis genotype but modified by preconceptional maternal prenatal vitamin use. This study therefore identified two potentially useful early epigenetic markers for ASD in placenta.

Autism spectrum disorder

Abstract Dominant X-linked diseases are uncommon due to female X chromosome inactivation (XCI). While random XCI usually protects females against X-linked mutations, Rett syndrome (RTT) is a female neurodevelopmental disorder caused by heterozygous MECP2 mutation. After 6-18 months of typical neurodevelopment, RTT girls undergo poorly understood regression. We performed longitudinal snRNA-seq on cerebral cortex in a construct-relevant Mecp2e1 mutant mouse model of RTT, revealing transcriptional effects of cell type, mosaicism, and sex on progressive disease phenotypes. Across cell types, we observed sex differences in the number of differentially expressed genes (DEGs) with 6x more DEGs in mutant females than males. Unlike males, female DEGs emerged prior to symptoms, were enriched for homeostatic gene pathways in distinct cell types over time, and correlated with disease phenotypes and human RTT cortical cell transcriptomes. Non-cell-autonomous effects were prominent and dynamic across disease progression of Mecp2e1 mutant females, indicating wild-type-expressing cells normalizing transcriptional homeostasis. These results improve understanding of RTT progression and treatment.

Rhythmic oscillations of physiological processes depend on integrating the circadian clock and diurnal environment. DNA methylation is epigenetically responsive to daily rhythms, as a subset of CpG dinucleotides in brain exhibit diurnal rhythmic methylation. A major genetic effect on rhythmic methylation was identified in a mouse Snord116 deletion model of the imprinted disorder Prader-Willi syndrome (PWS). Of the >23,000 diurnally rhythmic CpGs identified in wild-type cortex, 97% lost rhythmic methylation in PWS cortex. Circadian dysregulation of a second imprinted Snord cluster at the Temple/Kagami-Ogata syndrome locus was observed at the level of methylation, transcription, and chromatin, providing mechanistic evidence of cross-talk. Genes identified by diurnal epigenetic changes in PWS mice overlapped rhythmic and PWS-specific genes in human brain and were enriched for PWS-relevant obesity phenotypes and pathways. These results support the proposed evolutionary relationship between imprinting and sleep, and suggest possible chronotherapy in the treatment of PWS and related disorders.