5-methylcytosine (5mC) in DNA plays an important role in gene expression, genomic imprinting, and suppression of transposable elements. 5mC can be converted to 5-hydroxymethylcytosine (5hmC) by the Tet (ten eleven translocation) proteins. Here, we show that, in addition to 5hmC, the Tet proteins can generate 5-formylcytosine (5fC) and 5-carboxylcytosine (5caC) from 5mC in an enzymatic activity-dependent manner. Furthermore, we reveal the presence of 5fC and 5caC in genomic DNA of mouse embryonic stem cells and mouse organs. The genomic content of 5hmC, 5fC, and 5caC can be increased or reduced through overexpression or depletion of Tet proteins. Thus, we identify two previously unknown cytosine derivatives in genomic DNA as the products of Tet proteins. Our study raises the possibility that DNA demethylation may occur through Tet-catalyzed oxidation followed by decarboxylation.

The prevalent DNA modification in higher organisms is the methylation of cytosine to 5-methylcytosine (5mC), which is partially converted to 5-hydroxymethylcytosine (5hmC) by the Tet (ten eleven translocation) family of dioxygenases. Despite their importance in epigenetic regulation, it is unclear how these cytosine modifications are reversed. Here, we demonstrate that 5mC and 5hmC in DNA are oxidized to 5-carboxylcytosine (5caC) by Tet dioxygenases in vitro and in cultured cells. 5caC is specifically recognized and excised by thymine-DNA glycosylase (TDG). Depletion of TDG in mouse embyronic stem cells leads to accumulation of 5caC to a readily detectable level. These data suggest that oxidation of 5mC by Tet proteins followed by TDG-mediated base excision of 5caC constitutes a pathway for active DNA demethylation.

The binding motifs for many RNA-binding proteins are normally buried within structured regions; now, the N6-methyladenosine modification is shown to act as a switch to remodel these regions, expose the motif, and thereby facilitate binding of RNA-binding proteins. N6-methyladenosine (m6A) is a common internal modification found in many eukaryotic mRNAs and long non-coding RNAs. It is involved in the control of various cellular functions including circadian rhythm, meiosis and stem cell development. This study uncovers a previously unknown mechanism by which m6A regulates RNA–protein interactions. Tao Pan and colleagues show that the binding motifs for many RNA binding proteins (RBPs) are normally buried within structured regions. The m6A modification acts as a switch to reorganize these regions, inducing structural changes that expose the motif and thereby facilitate RBP binding. This finding implies that m6A functions as an RNA structure remodeller, for example, to affect mRNA maturation through interference with post-transcriptional regulator binding activities. RNA-binding proteins control many aspects of cellular biology through binding single-stranded RNA binding motifs (RBMs)1,2,3. However, RBMs can be buried within their local RNA structures4,5,6,7, thus inhibiting RNA–protein interactions. N6-methyladenosine (m6A), the most abundant and dynamic internal modification in eukaryotic messenger RNA8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19, can be selectively recognized by the YTHDF2 protein to affect the stability of cytoplasmic mRNAs15, but how m6A achieves its wide-ranging physiological role needs further exploration. Here we show in human cells that m6A controls the RNA-structure-dependent accessibility of RBMs to affect RNA–protein interactions for biological regulation; we term this mechanism ‘the m6A-switch’. We found that m6A alters the local structure in mRNA and long non-coding RNA (lncRNA) to facilitate binding of heterogeneous nuclear ribonucleoprotein C (HNRNPC), an abundant nuclear RNA-binding protein responsible for pre-mRNA processing20,21,22,23,24. Combining photoactivatable-ribonucleoside-enhanced crosslinking and immunoprecipitation (PAR-CLIP) and anti-m6A immunoprecipitation (MeRIP) approaches enabled us to identify 39,060 m6A-switches among HNRNPC-binding sites; and global m6A reduction decreased HNRNPC binding at 2,798 high-confidence m6A-switches. We determined that these m6A-switch-regulated HNRNPC-binding activities affect the abundance as well as alternative splicing of target mRNAs, demonstrating the regulatory role of m6A-switches on gene expression and RNA maturation. Our results illustrate how RNA-binding proteins gain regulated access to their RBMs through m6A-dependent RNA structural remodelling, and provide a new direction for investigating RNA-modification-coded cellular biology.

Somatic loss-of-function mutations in the ten-eleven translocation 2 (TET2) gene occur in a significant proportion of patients with myeloid malignancies. Although there are extensive genetic data implicating TET2 mutations in myeloid transformation, the consequences of Tet2 loss in hematopoietic development have not been delineated. We report here an animal model of conditional Tet2 loss in the hematopoietic compartment that leads to increased stem cell self-renewal in vivo as assessed by competitive transplant assays. Tet2 loss leads to a progressive enlargement of the hematopoietic stem cell compartment and eventual myeloproliferation in vivo, including splenomegaly, monocytosis, and extramedullary hematopoiesis. In addition, Tet2(+/-) mice also displayed increased stem cell self-renewal and extramedullary hematopoiesis, suggesting that Tet2 haploinsufficiency contributes to hematopoietic transformation in vivo.

Song et al. present the first method for global analysis of 5-hydroxymethylcytosine, a recently identified epigenetic modification in mammalian cells. They use a bacteriophage-derived enzyme to tag the hydroxymethyl group with an azide-modified glucose residue that can be used for affinity purification and sequencing of modified genomic DNA fragments. In contrast to 5-methylcytosine (5-mC), which has been studied extensively1,2,3, little is known about 5-hydroxymethylcytosine (5-hmC), a recently identified epigenetic modification present in substantial amounts in certain mammalian cell types4,5. Here we present a method for determining the genome-wide distribution of 5-hmC. We use the T4 bacteriophage β-glucosyltransferase to transfer an engineered glucose moiety containing an azide group onto the hydroxyl group of 5-hmC. The azide group can be chemically modified with biotin for detection, affinity enrichment and sequencing of 5-hmC–containing DNA fragments in mammalian genomes. Using this method, we demonstrate that 5-hmC is present in human cell lines beyond those previously recognized4. We also find a gene expression level–dependent enrichment of intragenic 5-hmC in mouse cerebellum and an age-dependent acquisition of this modification in specific gene bodies linked to neurodegenerative disorders.

The study of 5-hydroxylmethylcytosines (5hmC) has been hampered by the lack of a method to map it at single-base resolution on a genome-wide scale. Affinity purification-based methods cannot precisely locate 5hmC nor accurately determine its relative abundance at each modified site. We here present a genome-wide approach, Tet-assisted bisulfite sequencing (TAB-Seq), that when combined with traditional bisulfite sequencing can be used for mapping 5hmC at base resolution and quantifying the relative abundance of 5hmC as well as 5mC. Application of this method to embryonic stem cells not only confirms widespread distribution of 5hmC in the mammalian genome but also reveals sequence bias and strand asymmetry at 5hmC sites. We observe high levels of 5hmC and reciprocally low levels of 5mC near but not on transcription factor-binding sites. Additionally, the relative abundance of 5hmC varies significantly among distinct functional sequence elements, suggesting different mechanisms for 5hmC deposition and maintenance.