ABSTRACT In nucleosomes, histone N-terminal tails exist in dynamic equilibrium between free/accessible and collapsed/DNA-bound states. The latter state is expected to impact histone N-termini availability to the epigenetic machinery. Notably, H3 tail acetylation ( e.g. , K9ac, K14ac, K18ac) is linked to increased H3K4me3 engagement by the BPTF PHD finger, but it is unknown if this mechanism has broader extension. Here we show that H3 tail acetylation promotes nucleosomal accessibility to other H3K4 methyl readers, and importantly, extends to H3K4 writers, notably methyltransferase MLL1. This regulation is not observed on peptide substrates yet occurs on the cis H3 tail, as determined with fully-defined heterotypic nucleosomes. In vivo , H3 tail acetylation is directly and dynamically coupled with cis H3K4 methylation levels. Together, these observations reveal an acetylation ‘chromatin switch’ on the H3 tail that modulates read-write accessibility in nucleosomes and resolve the long-standing question of why H3K4me3 levels are coupled with H3 acetylation.

ABSTRACT The ATPase family AAA+ domain containing 2 (ATAD2) protein, and its paralog ATAD2B, have a C-terminal bromodomain that functions as a ‘reader’ of acetylated lysine residues on histone proteins. Using a structure-function approach, we investigated the ability of the ATAD2 and ATAD2B bromodomains to select acetylated lysine among multiple histone post-translational modifications. Isothermal titration calorimetry experiments revealed that the ATAD2 and ATAD2B bromodomains selectively recognize distinct patterns of acetylated lysine residues on the N-terminal tails of histone proteins. Adjacent methylation or phosphorylation marks were found to either enhance or weaken the recognition of acetylated lysine by the ATAD2/B bromodomains. Complementary structural studies provide mechanistic insights into how residues within the bromodomain binding pocket coordinate the acetyllysine group in the context of adjacent post- translational modifications. Furthermore, we investigated how sequence changes in amino acids of the histone ligands, either as ‘onco’ mutations or as histone variants, impact the recognition of an adjacent acetylated lysine residue. In summary, our study highlights how the interplay between multiple combinations of histone modifications influences the ‘reader’ activity of the ATAD2 and ATAD2B bromodomains, resulting in distinct binding modes of the two bromodomains. KEY POINTS Multiple independent ATAD2 gene duplication events are evident during metazoan evolution, indicating expansion of functionality in the ATAD2 gene family and suggesting distinct functions for ATAD2 and ATAD2B. High-resolution structures of the ATAD2 and ATAD2B bromodomains in complex with their histone ligands demonstrate how multiple post-translational modifications are coordinated. Recognition of different subsets acetylated histone ligands by the ATAD2 and ATAD2B bromodomains is driven by unique features within the binding pockets of these paralogous proteins. Onco-histone mutations and histone variants that change the amino acid sequence of the histone tails modulate the ATAD2 and ATAD2B bromodomain activity. This study demonstrates how the combinatorial activity of multiple post- translational modifications forms a histone code and influences the recognition of acetylated lysine by bromodomain-containing proteins.