The International Human Epigenome Consortium (IHEC) coordinates the generation of a catalog of high-resolution reference epigenomes of major primary human cell types. The studies now presented (see the Cell Press IHEC web portal at http://www.cell.com/consortium/IHEC) highlight the coordinated achievements of IHEC teams to gather and interpret comprehensive epigenomic datasets to gain insights in the epigenetic control of cell states relevant for human health and disease. 

PaperClip

How regeneration cues are converted into the epigenetic information that controls gene expression in adult stem cells is currently unknown. We identified an inflammation-activated signaling in muscle stem (satellite) cells, by which the polycomb repressive complex 2 (PRC2) represses Pax7 expression during muscle regeneration. TNF-activated p38α kinase promotes the interaction between YY1 and PRC2, via threonine 372 phosphorylation of EZH2, the enzymatic subunit of the complex, leading to the formation of repressive chromatin on Pax7 promoter. TNF-α antibodies stimulate satellite cell proliferation in regenerating muscles of dystrophic or normal mice. Genetic knockdown or pharmacological inhibition of the enzymatic components of the p38/PRC2 signaling—p38α and EZH2—invariably promote Pax7 expression and expansion of satellite cells that retain their differentiation potential upon signaling resumption. Genetic knockdown of Pax7 impaired satellite cell proliferation in response to p38 inhibition, thereby establishing the biological link between p38/PRC2 signaling to Pax7 and satellite cell decision to proliferate or differentiate.

LSD1 and LSD2 histone demethylases are implicated in a number of physiological and pathological processes, ranging from tumorigenesis to herpes virus infection. A comprehensive structural, biochemical, and cellular study is presented here to probe the potential of these enzymes for epigenetic therapies. This approach employs tranylcypromine as a chemical scaffold for the design of novel demethylase inhibitors. This drug is a clinically validated antidepressant known to target monoamine oxidases A and B. These two flavoenzymes are structurally related to LSD1 and LSD2. Mechanistic and crystallographic studies of tranylcypromine inhibition reveal a lack of selectivity and differing covalent modifications of the FAD cofactor depending on the enantiomeric form. These findings are pharmacologically relevant, since tranylcypromine is currently administered as a racemic mixture. A large set of tranylcypromine analogues were synthesized and screened for inhibitory activities. We found that the common evolutionary origin of LSD and MAO enzymes, despite their unrelated functions and substrate specificities, is reflected in related ligand-binding properties. A few compounds with partial enzyme selectivity were identified. The biological activity of one of these new inhibitors was evaluated with a cellular model of acute promyelocytic leukemia chosen since its pathogenesis includes aberrant activities of several chromatin modifiers. Marked effects on cell differentiation and an unprecedented synergistic activity with antileukemia drugs were observed. These data demonstrate that these LSD1/2 inhibitors are of potential relevance for the treatment of promyelocytic leukemia and, more generally, as tools to alter chromatin state with promise of a block of tumor progression.

In liver the mitochondrial sirtuin, SIRT5, controls ammonia detoxification by regulating CPS1, the first enzyme of the urea cycle. However, while SIRT5 is ubiquitously expressed, urea cycle and CPS1 are only present in the liver and, to a minor extent, in the kidney. To address the possibility that SIRT5 is involved in ammonia production also in nonliver cells, clones of human breast cancer cell lines MDA-MB-231 and mouse myoblast C2C12, overexpressing or silenced for SIRT5 were produced. Our results show that ammonia production increased in SIRT5-silenced and decreased in SIRT5-overexpressing cells. We also obtained the same ammonia increase when using a new specific inhibitor of SIRT5 called MC3482. SIRT5 regulates ammonia production by controlling glutamine metabolism. In fact, in the mitochondria, glutamine is transformed in glutamate by the enzyme glutaminase, a reaction producing ammonia. We found that SIRT5 and glutaminase coimmunoprecipitated and that SIRT5 inhibition resulted in an increased succinylation of glutaminase. We next determined that autophagy and mitophagy were increased by ammonia by measuring autophagic proteolysis of long-lived proteins, increase of autophagy markers MAP1LC3B, GABARAP, and GABARAPL2, mitophagy markers BNIP3 and the PINK1-PARK2 system as well as mitochondrial morphology and dynamics. We observed that autophagy and mitophagy increased in SIRT5-silenced cells and in WT cells treated with MC3482 and decreased in SIRT5-overexpressing cells. Moreover, glutaminase inhibition or glutamine withdrawal completely prevented autophagy. In conclusion we propose that the role of SIRT5 in nonliver cells is to regulate ammonia production and ammonia-induced autophagy by regulating glutamine metabolism.

Sirtuins are NAD+-dependent protein deacylases involved in metabolic regulation and aging-related diseases. Specific activators for seven human Sirtuin isoforms would be important chemical tools and potential therapeutic drugs. Activators have been described for Sirt1 and act via a unique N-terminal domain of this isoform. For most other Sirtuin isoforms, including mitochondrial Sirt3-5, no potent and specific activators have yet been identified. We here describe the identification and characterization of 1,4-dihydropyridine-based compounds that either act as pan Sirtuin activators or specifically stimulate Sirt3 or Sirt5. The activators bind to the Sirtuin catalytic cores independent of NAD+ and acylated peptides and stimulate turnover of peptide and protein substrates. The compounds also activate Sirt3 or Sirt5 in cellular systems regulating, e.g., apoptosis and electron transport chain. Our results provide a scaffold for potent Sirtuin activation and derivatives specific for Sirt3 and Sirt5 as an excellent basis for further drug development.

Abstract Pharmacological treatment of Duchenne Muscular Dystrophy (DMD) with histone deacetylase inhibitors (HDACi) is currently being tested in clinical trials. Pre-clinical studies performed in mdx mice - the mouse model of DMD - have shown that HDACi promote compensatory muscle regeneration, while inhibiting fibro-adipogenic degeneration, by targeting fibro-adipogenic progenitors (FAPs); however, these beneficial effects are restricted to early stages of disease progression. We show here that FAPs from late stage mdx mice exhibit epigenetic and transcriptional features of senescence that could not be fully reversed by HDACi. In particular, genome-wide increase in H3K9/14 acetylation at gene promoters of Senescence Associated Secretory Phenotype (SASP) genes was associated with their upregulation in late stage mdx FAPs. Treatment with the HDACi Trichostatin A (TSA) could inhibit SASP gene activation in FAPs, by decreasing H3K9/14 acetylation. Conversely, combinatorial decrease of H3K27 and/or H3K9/14 acetylation at promoters of genes required for cycle activation and progression was associated with their downregulation in FAPs from late stage mdx mice. However, these epigenetic and transcriptional alterations could not be reversed by TSA, due to a general resistance exhibited by FAPs from late stage mdx mice to HDACi-induced H3K9/14 hyperacetylation. Overall, this data reveal that disease-associated features of senescence develop in FAPs of DMD muscle through epigenetically distinct and pharmacologically dissociable events, and suggests that HDACi might at least retain anti- fibrotic and inflammatory activity at late stages of DMD, by repressing FAP-derived SASP.

Epitranscriptomics represents a further layer of gene expression regulation. Specifically, N6-methyladenosine (m6A) regulates RNA maturation, stability, degradation, and translation. Regarding microRNAs (miRNAs), while it has been reported that m6A impacts their biogenesis, the functional effects on mature miRNAs remain unclear. Here, we show that m6A modification on specific miRNAs weakens their coupling to AGO2, impairs their function on target mRNAs, determines their delivery into extracellular vesicles (EVs), and provides functional information to receiving cells. Mechanistically, the intracellular functional impairment is caused by m6A-mediated inhibition of AGO2/miRNA interaction, the EV loading is favored by m6A-mediated recognition by the RNA-binding protein (RBP) hnRNPA2B1, and the EV-miRNA function in the receiving cell requires their FTO-mediated demethylation. Consequently, cells express specific miRNAs that do not impact endogenous transcripts but provide regulatory information for cell-to-cell communication. This highlights that a further level of complexity should be considered when relating cellular dynamics to specific miRNAs.

Abstract Anti-tuberculosis drugs, mostly developed over 60 years ago, combined with a poorly effective vaccine, have failed to eradicate tuberculosis. More worryingly, multi-resistant strains of Mycobacterium tuberculosis are constantly emerging. Innovative strategies are thus urgently needed to improve tuberculosis treatment. Recently, host-directed therapy has emerged as a promising strategy to be used in adjunct with existing or future antibiotics, by improving innate immunity or limiting immunopathology. Here, using high content imaging, we identified novel 1,2,4-oxadiazole-based compounds, that allow human macrophages to control MTB replication. Genome-wide gene expression analysis revealed that these molecules induced zinc remobilization inside cells, resulting in bacterial zinc intoxication. More importantly, we also demonstrated that, upon treatment with these novel compounds, M. tuberculosis became even more sensitive to anti-tuberculosis drugs, in vitro and in vivo , in a mouse model of tuberculosis. Manipulation of heavy metal homeostasis holds thus great promise to be exploited to develop host-directed therapeutic interventions.

ABSTRACT Intracellular pathogens exploit host cell functions to favor their own survival. In recent years, the subversion of epigenetic regulation has emerged as a key microbial strategy to modify host cell gene expression and evade antimicrobial immune responses. Using the protozoan parasite Leishmania as a model system, we have recently demonstrated that infection causes histone H3 hypomethylation, which is associated with the establishment of an anti-inflammatory phenotype, suggesting that host cell demethylases may play a role in the intracellular survival of these parasites. In this study, we employed a combination of pharmacological, RNA sequencing and interaction studies to investigate the role of the macrophage lysine demethylase LSD1 (KDM1a) in Leishmania intracellular infection in vitro . Treatment of infected macrophages with two validated LSD1-specific inhibitors resulted in a significant reduction in parasite burden. We confirmed the impact of these inhibitors on LSD1 activity within macrophage nuclear extracts using an in vitro demethylase assay and established their LSD1 target engagement in situ by cellular thermal shift assay. RNA-seq analysis of infected and inhibitor-treated macrophages linked parasite killing to a partial reversion of infection-dependent expression changes, restoring the macrophage anti-microbial response and limiting cholesterol biosynthesis. While we ruled out any impact of Leishmania on LSD1 expression or localization, we uncovered significant alterations in LSD1 complex formation within infected macrophages, involving unique interactions with host proteins as well as interactions with Leishmania proteins that appear to be secreted into the macrophage nucleus. Our study sheds important new light on the epigenetic mechanisms of macrophage immuno-metabolic subversion by intracellular Leishmania and identifies LSD1 as a potential candidate for host-directed, anti-leishmanial therapy.

Treatment and control of schistosomiasis still rely on only one effective drug, praziquantel (PZQ), and due to mass treatment, the increasing risk of selecting for schistosome strains that are resistant to PZQ has alerted investigators to the urgent need to develop novel therapeutic strategies. The histone-modifying enzymes (HMEs) represent promising targets for the development of epigenetic drugs against Schistosoma mansoni . In the present study, we targeted the S. mansoni lysine-specific demethylase 1 (SmLSD1), a transcriptional corepressor, using a novel and selective synthetic inhibitor, MC3935. We synthesized a novel and potent LSD1 inhibitor, MC3935, which was used to treat schistosomula or adult worms in vitro . By using cell viability assays and optical and electron microscopy, we showed that treatment with MC3935 affected parasite motility, egg-laying, tegument, and cellular organelle structures, culminating in the death of schistosomula and adult worms. In silico molecular modeling and docking analysis suggested that MC3935 binds to the catalytic pocket of SmLSD1. Western blot analysis revealed that MC3935 inhibited SmLSD1 demethylation activity of H3K4me1/2. Knockdown of SmLSD1 by RNAi recapitulated MC3935 phenotypes in adult worms. RNA-seq analysis of MC3935-treated parasites revealed significant differences in gene expression related to critical biological processes. Collectively, our findings show that SmLSD1 is a promising drug target for the treatment of schistosomiasis and strongly support the further development and in vivo testing of selective schistosome LSD1 inhibitors.Author Summary Schistosomiasis mansoni is a chronic and debilitating tropical disease caused by the helminth Schistosoma mansoni . The control and treatment of the disease rely almost exclusively on praziquantel (PZQ). Thus, there is an urgent need to search for promising protein targets to develop new drugs. Drugs that inhibit enzymes that modify the chromatin structure have been developed for a number of diseases. We and others have shown that S. mansoni epigenetic enzymes are also potential therapeutic targets. Here we evaluated the potential of the S. mansoni histone demethylase LSD1 (SmLSD1) as a drug target. We reported the synthesis of a novel and potent LSD1 inhibitor, MC3935, and show that it selectively inhibited the enzymatic activity of SmLSD1. Treatment of juvenile or adult worms with MC3935 caused severe damage to the tegument of the parasites and compromised egg production. Importantly, MC3935 proved to be highly toxic to S. mansoni, culminating in the death of juvenile or adult worms within 96 h. Transcriptomic analysis of MC3935-treated parasites revealed changes in the gene expression of hundreds of genes involved in key biological processes. Importantly, SmLSD1 contains unique sequences within its polypeptide chain that could be explored to develop a S. mansoni selective drug.