Exhausted CD8+ T (Tex) cells in chronic infections and cancer have limited effector function, high co-expression of inhibitory receptors and extensive transcriptional changes compared with effector (Teff) or memory (Tmem) CD8+ T cells. Tex cells are important clinical targets of checkpoint blockade and other immunotherapies. Epigenetically, Tex cells are a distinct immune subset, with a unique chromatin landscape compared with Teff and Tmem cells. However, the mechanisms that govern the transcriptional and epigenetic development of Tex cells remain unknown. Here we identify the HMG-box transcription factor TOX as a central regulator of Tex cells in mice. TOX is largely dispensable for the formation of Teff and Tmem cells, but it is critical for exhaustion: in the absence of TOX, Tex cells do not form. TOX is induced by calcineurin and NFAT2, and operates in a feed-forward loop in which it becomes calcineurin-independent and sustained in Tex cells. Robust expression of TOX therefore results in commitment to Tex cells by translating persistent stimulation into a distinct Tex cell transcriptional and epigenetic developmental program. The transcription factor TOX is a central regulator of the transcriptional and epigenetic development of exhausted T cells.

The ectopic expression of transcription factors can reprogram cell fate, yet it is unknown how the initial binding of factors to the genome relates functionally to the binding seen in the minority of cells that become reprogrammed. We report a map of Oct4, Sox2, Klf4, and c-Myc (O, S, K, and M) on the human genome during the first 48 hr of reprogramming fibroblasts to pluripotency. Three striking aspects of the initial chromatin binding events include an unexpected role for c-Myc in facilitating OSK chromatin engagement, the primacy of O, S, and K as pioneer factors at enhancers of genes that promote reprogramming, and megabase-scale chromatin domains spanned by H3K9me3, including many genes required for pluripotency, that prevent initial OSKM binding and impede the efficiency of reprogramming. We find diverse aspects of initial factor binding that must be overcome in the minority of cells that become reprogrammed.

Macroautophagy (hereafter referred to as autophagy) is a catabolic membrane trafficking process that degrades a variety of cellular constituents and is associated with human diseases. Although extensive studies have focused on autophagic turnover of cytoplasmic materials, little is known about the role of autophagy in degrading nuclear components. Here we report that the autophagy machinery mediates degradation of nuclear lamina components in mammals. The autophagy protein LC3/Atg8, which is involved in autophagy membrane trafficking and substrate delivery, is present in the nucleus and directly interacts with the nuclear lamina protein lamin B1, and binds to lamin-associated domains on chromatin. This LC3-lamin B1 interaction does not downregulate lamin B1 during starvation, but mediates its degradation upon oncogenic insults, such as by activated RAS. Lamin B1 degradation is achieved by nucleus-to-cytoplasm transport that delivers lamin B1 to the lysosome. Inhibiting autophagy or the LC3-lamin B1 interaction prevents activated RAS-induced lamin B1 loss and attenuates oncogene-induced senescence in primary human cells. Our study suggests that this new function of autophagy acts as a guarding mechanism protecting cells from tumorigenesis.

Senescence is a stable proliferation arrest, associated with an altered secretory pathway, thought to promote tumor suppression and tissue aging. While chromatin regulation and lamin B1 down-regulation have been implicated as senescence effectors, functional interactions between them are poorly understood. We compared genome-wide Lys4 trimethylation on histone H3 (H3K4me3) and H3K27me3 distributions between proliferating and senescent human cells and found dramatic differences in senescence, including large-scale domains of H3K4me3- and H3K27me3-enriched "mesas" and H3K27me3-depleted "canyons." Mesas form at lamin B1-associated domains (LADs) in replicative senescence and oncogene-induced senescence and overlap DNA hypomethylation regions in cancer, suggesting that pre-malignant senescent chromatin changes foreshadow epigenetic cancer changes. Hutchinson-Gilford progeria syndrome fibroblasts (mutant lamin A) also show evidence of H3K4me3 mesas, suggesting a link between premature chromatin changes and accelerated cell senescence. Canyons mostly form between LADs and are enriched in genes and enhancers. H3K27me3 loss is correlated with up-regulation of key senescence genes, indicating a link between global chromatin changes and local gene expression regulation. Lamin B1 reduction in proliferating cells triggers senescence and formation of mesas and canyons. Our data illustrate profound chromatin reorganization during senescence and suggest that lamin B1 down-regulation in senescence is a key trigger of global and local chromatin changes that impact gene expression, aging, and cancer.

Ant Variation Ants of the same genotype can exhibit numerous phenotypic forms and develop multiple functional castes within a colony. Bonasio et al. (p. 1068 ) sequenced the genomes of two ant species exhibiting differences in caste development— Camponotus floridanus and Harpegnathos saltator —and used the sequences to compare gene expression and identify differences in epigenetic gene regulation that lead to the phenotypic differences. Ants may offer a model system for studying the role of epigenetics in behavior and development.

A ChIP-seq analysis of the DNA-binding properties of mutant gain-of-function p53 protein compared to wild-type p53 reveals the gain-of-function proteins bind to and activate a distinct set of genes including chromatin modifying enzymes such as the histone methyltransferase MLL; small molecular inhibitors of MLL function may represent a new target for cancers with mutant p53. Wild-type p53 is a tumour suppressor, but mutation of p53 can promote cancer and certain oncogenic forms are gain-of-function (GOF) mutants. Shelley Berger and colleagues compare the genomic binding patterns of wild- type and gain-of-function mutant p53 using ChIP-seq analysis and find that the p53 mutants bind distinct sets of genes compared to the wild-type protein, with key targets including the histone methyltransferases MLL1 and MLL2, as well as other chromatin modifying enzymes. Gain-of-function p53 mutant cells are highly dependent on the MLL pathway for growth and are sensitive to small molecule inhibitors of MLL function, indicating a novel therapeutic avenue for cancers with these p53 mutations. TP53 (which encodes p53 protein) is the most frequently mutated gene among all human cancers. Prevalent p53 missense mutations abrogate its tumour suppressive function and lead to a ‘gain-of-function’ (GOF) that promotes cancer. Here we show that p53 GOF mutants bind to and upregulate chromatin regulatory genes, including the methyltransferases MLL1 (also known as KMT2A), MLL2 (also known as KMT2D), and acetyltransferase MOZ (also known as KAT6A or MYST3), resulting in genome-wide increases of histone methylation and acetylation. Analysis of The Cancer Genome Atlas shows specific upregulation of MLL1, MLL2, and MOZ in p53 GOF patient-derived tumours, but not in wild-type p53 or p53 null tumours. Cancer cell proliferation is markedly lowered by genetic knockdown of MLL1 or by pharmacological inhibition of the MLL1 methyltransferase complex. Our study reveals a novel chromatin mechanism underlying the progression of tumours with GOF p53, and suggests new possibilities for designing combinatorial chromatin-based therapies for treating individual cancers driven by prevalent GOF p53 mutations.

Metabolic production of acetyl coenzyme A (acetyl-CoA) is linked to histone acetylation and gene regulation, but the precise mechanisms of this process are largely unknown. Here we show that the metabolic enzyme acetyl-CoA synthetase 2 (ACSS2) directly regulates histone acetylation in neurons and spatial memory in mammals. In a neuronal cell culture model, ACSS2 increases in the nuclei of differentiating neurons and localizes to upregulated neuronal genes near sites of elevated histone acetylation. A decrease in ACSS2 lowers nuclear acetyl-CoA levels, histone acetylation, and responsive expression of the cohort of neuronal genes. In adult mice, attenuation of hippocampal ACSS2 expression impairs long-term spatial memory, a cognitive process that relies on histone acetylation. A decrease in ACSS2 in the hippocampus also leads to defective upregulation of memory-related neuronal genes that are pre-bound by ACSS2. These results reveal a connection between cellular metabolism, gene regulation, and neural plasticity and establish a link between acetyl-CoA generation ‘on-site’ at chromatin for histone acetylation and the transcription of key neuronal genes. The metabolic enzyme acetyl coenzyme A synthetase directly regulates gene expression during memory formation by binding to specific genes and providing acetyl coenzyme A for histone acetylation. The regulation of neuronal gene transcription during memory formation involves histone acetylation, which is critical to long-term memory consolidation. Here, Shelley Berger and colleagues show that in neurons the metabolic enzyme acetyl coenzyme A synthetase 2 (ACSS2) associates with chromatin to increase local concentrations of acetyl coenzyme A and to promote histone acetylation and transcription of neural genes. In the mouse hippocampus, ACSS2 expression is required for the expression of neuronal genes involved in memory and the acquisition of long-term memories. These results reveal a direct role of a metabolic enzyme in acetylating histones and connect acetate metabolism to neuronal gene regulation and neural plasticity.

Nuclear DNA wraps around core histones to form nucleosomes, which restricts the binding of transcription factors to gene regulatory sequences. Pioneer transcription factors can bind DNA sites on nucleosomes and initiate gene regulatory events, often leading to the local opening of chromatin. However, the nucleosomal configuration of open chromatin and the basis for its regulation is unclear. We combined low and high levels of micrococcal nuclease (MNase) digestion along with core histone mapping to assess the nucleosomal configuration at enhancers and promoters in mouse liver. We find that MNase-accessible nucleosomes, bound by transcription factors, are retained more at liver-specific enhancers than at promoters and ubiquitous enhancers. The pioneer factor FoxA displaces linker histone H1, thereby keeping enhancer nucleosomes accessible in chromatin and allowing other liver-specific transcription factors to bind and stimulate transcription. Thus, nucleosomes are not exclusively repressive to gene regulation when they are retained with, and exposed by, pioneer factors.

CBP/p300 are transcription co-activators whose binding is a signature of enhancers, cis-regulatory elements that control patterns of gene expression in multicellular organisms. Active enhancers produce bi-directional enhancer RNAs (eRNAs) and display CBP/p300-dependent histone acetylation. Here, we demonstrate that CBP binds directly to RNAs in vivo and in vitro. RNAs bound to CBP in vivo include a large number of eRNAs. Using steady-state histone acetyltransferase (HAT) assays, we show that an RNA binding region in the HAT domain of CBP-a regulatory motif unique to CBP/p300-allows RNA to stimulate CBP's HAT activity. At enhancers where CBP interacts with eRNAs, stimulation manifests in RNA-dependent changes in the histone acetylation mediated by CBP, such as H3K27ac, and by corresponding changes in gene expression. By interacting directly with CBP, eRNAs contribute to the unique chromatin structure at active enhancers, which, in turn, is required for regulation of target genes.

Altered DNA methylation and associated destabilization of genome integrity and function is a hallmark of cancer. Replicative senescence is a tumour suppressor process that imposes a limit on the proliferative potential of normal cells that all cancer cells must bypass. Here we show by whole-genome single-nucleotide bisulfite sequencing that replicative senescent human cells exhibit widespread DNA hypomethylation and focal hypermethylation. Hypomethylation occurs preferentially at gene-poor, late-replicating, lamin-associated domains and is linked to mislocalization of the maintenance DNA methyltransferase (DNMT1) in cells approaching senescence. Low-level gains of methylation are enriched in CpG islands, including at genes whose methylation and silencing is thought to promote cancer. Gains and losses of methylation in replicative senescence are thus qualitatively similar to those in cancer, and this ‘reprogrammed’ methylation landscape is largely retained when cells bypass senescence. Consequently, the DNA methylome of senescent cells might promote malignancy, if these cells escape the proliferative barrier. Cancer is associated with altered DNA methylation. Using whole-genome single-nucleotide sequencing, Adams and colleagues reveal that senescent cells, as well as cells that have bypassed senescence through p53 and pRB inactivation, exhibit methylation changes similar to those seen in cancer.