Enzymes catalysing the methylation of the 5-position of cytosine (mC) have essential roles in regulating gene expression and maintaining cellular identity. Recently, TET1 was found to hydroxylate the methyl group of mC, converting it to 5-hydroxymethyl cytosine (hmC). Here we show that TET1 binds throughout the genome of embryonic stem cells, with the majority of binding sites located at transcription start sites (TSSs) of CpG-rich promoters and within genes. The hmC modification is found in gene bodies and in contrast to mC is also enriched at CpG-rich TSSs. We provide evidence further that TET1 has a role in transcriptional repression. TET1 binds a significant proportion of Polycomb group target genes. Furthermore, TET1 associates and colocalizes with the SIN3A co-repressor complex. We propose that TET1 fine-tunes transcription, opposes aberrant DNA methylation at CpG-rich sequences and thereby contributes to the regulation of DNA methylation fidelity. The modified DNA base 5-hydroxymethylcytosine (5hmC), sometimes called the sixth base, is present in the mammalian genome where it is generated by oxidation of 5-methylcytosine (5mC; the fifth base) by enzymes of the Tet family. Four papers in this issue, from the Helin, Zhang, Rao and Reik laboratories, respectively, report on the genome-wide distribution of Tet1 and/or 5hmC in mouse embryonic stem cells using the ChIP-seq technique. Links between Tet1 and transcription regulation — both activation and repression — are revealed. Anjana Rao and colleagues also describe two alternative methods with increased sensitivity for mapping single 5hmC bases. In the associated News & Views, Nathalie Véron and Antoine H. F. M. Peters discuss what these and other recent papers reveal about the role of Tet proteins in regulating DNA methylation and gene expression.

Summary

 Tissue regeneration requires dynamic cellular adaptation to the wound environment. It is currently unclear how this is orchestrated at the cellular level and how cell fate is affected by severe tissue damage. Here we dissect cell fate transitions during colonic regeneration in a mouse dextran sulfate sodium (DSS) colitis model, and we demonstrate that the epithelium is transiently reprogrammed into a primitive state. This is characterized by de novo expression of fetal markers as well as suppression of markers for adult stem and differentiated cells. The fate change is orchestrated by remodeling the extracellular matrix (ECM), increased FAK/Src signaling, and ultimately YAP/TAZ activation. In a defined cell culture system recapitulating the extracellular matrix remodeling observed in vivo, we show that a collagen 3D matrix supplemented with Wnt ligands is sufficient to sustain endogenous YAP/TAZ and induce conversion of cell fate. This provides a simple model for tissue regeneration, implicating cellular reprogramming as an essential element.

DNA methylation is tightly regulated throughout mammalian development, and altered DNA methylation patterns are a general hallmark of cancer. The methylcytosine dioxygenase TET2 is frequently mutated in hematological disorders, including acute myeloid leukemia (AML), and has been suggested to protect CG dinucleotide (CpG) islands and promoters from aberrant DNA methylation. In this study, we present a novel Tet2-dependent leukemia mouse model that closely recapitulates gene expression profiles and hallmarks of human AML1-ETO-induced AML. Using this model, we show that the primary effect of Tet2 loss in preleukemic hematopoietic cells is progressive and widespread DNA hypermethylation affecting up to 25% of active enhancer elements. In contrast, CpG island and promoter methylation does not change in a Tet2-dependent manner but increases relative to population doublings. We confirmed this specific enhancer hypermethylation phenotype in human AML patients with TET2 mutations. Analysis of immediate gene expression changes reveals rapid deregulation of a large number of genes implicated in tumorigenesis, including many down-regulated tumor suppressor genes. Hence, we propose that TET2 prevents leukemic transformation by protecting enhancers from aberrant DNA methylation and that it is the combined silencing of several tumor suppressor genes in TET2 mutated hematopoietic cells that contributes to increased stem cell proliferation and leukemogenesis.

Abstract Intestinal organoids are an excellent model to study epithelial biology. Yet, the selection of analytical tools to accurately quantify heterogeneous organoid cultures remains limited. Here, we developed a semi-automated organoid screening method, which we applied to a library of highly specific chemical probes to identify epigenetic regulators of intestinal epithelial biology. The role of epigenetic modifiers in adult stem cell systems, such as the intestinal epithelium, is still undefined. Based on this resource data, we identified several targets that affected epithelial cell differentiation, including HDACs, EP300/CREBBP, LSD1, and type I PRMTs, which were verified by complementary methods. For example, we show that inhibiting type I PRMTs, which leads enhanced epithelial differentiation, blocks the growth of adenoma but not normal organoid cultures. Thus, epigenetic probes are powerful tools to study intestinal epithelial biology and may have therapeutic potential.

Abstract During intestinal organogenesis, equipotent epithelial progenitors mature into phenotypically distinct stem cells that are responsible for life-long maintenance of the tissue. While the morphological changes associated with the transition are well-characterized, the molecular mechanisms underpinning the maturation process are not fully understood. Here, we leverage intestinal organoid cultures to profile transcriptional, chromatin accessibility, DNA methylation and 3D chromatin conformation landscapes defining fetal and adult epithelial cells. We observed prominent differences in gene expression and enhancer activity, accompanied by changes in 3D organization and local changes in DNA accessibility and methylation, between the two cellular states. Using integrative analyses, we identified sustained YAP transcriptional activity as a major gatekeeper of the immature fetal state. We found the YAP-associated transcriptional network to be regulated at various levels of chromatin organization, and likely to be coordinated by changes in extracellular matrix composition. Altogether, our work highlights the value of unbiased profiling of regulatory landscapes for the identification of key mechanisms underlying tissue maturation.

Intestinal epithelial homeostasis is maintained by adult intestinal stem cells, which, alongside Paneth cells, appear after birth in the neonatal period. We aimed to identify new regulators of neonatal intestinal epithelial development by testing a small library of epigenetic modifier inhibitors in Paneth cell-skewed organoid cultures. We found that Lysine-specific demethylase 1A ( Kdm1a/Lsd1 ) is absolutely required for Paneth cell differentiation. Lsd1 -deficient crypts, devoid of Paneth cells, are still able to form organoids without a requirement of exogenous or endogenous Wnt. Mechanistically, we find that LSD1 represses genes that are normally expressed in fetal and neonatal epithelium. This gene profile is similar to what is seen in repairing epithelium, and indeed, we find that Lsd1 -deficient epithelium has superior regenerative capacities after irradiation injury. In summary, we found an important regulator of neonatal intestinal development and identified a druggable target to reprogram intestinal epithelium towards a reparative state.

The epigenetic regulator TET2 is frequently mutated in hematological diseases. Mutations have been shown to arise in hematopoietic stem cells early in disease development, lead to altered DNA methylation landscapes and to an increased risk of hematopoietic malignancy. Here, we show by genome-wide mapping of TET2 binding sites in different cell types that TET2 localizes to regions of open chromatin and cell-type specific enhancers. We find that deletion of Tet2 in native hematopoiesis as well as fully transformed Acute Myeloid Leukemia (AML) results in changes in transcription factor (TF) activity within these regions, and we demonstrate that loss of TET2 leads to enzymatic activity-dependent attenuation of chromatin binding of the hematopoietic TF CDX4. Together, these findings demonstrate that TET2 activity shapes the local chromatin environment at enhancers to facilitate TF binding and provide a compelling example of how epigenetic dysregulation can affect gene expression patterns and drive disease development.