Distinguishing Epigenetic Marks Methylation of the cytosine base in eukaryotic DNA (5mC) is an important epigenetic mark involved in gene silencing and genome stability. Methylated cytosine can be enzymatically oxidized to 5-hydroxymethylcytosine (5hmC), which may function as a distinct epigenetic mark—possibly involved in pluripotency—and it may also be an intermediate in active DNA demethylation. To be able to detect 5hmC genome-wide and at single-base resolution, Booth et al. (p. 934 , published online 26 April) developed a 5hmC sequencing chemistry that selectively oxidizes 5hmC to 5-formylcytosine and then to uracil while leaving 5mC unchanged. Using this method, mouse embryonic stem cell genomic DNA was sequenced to reveal that 5hmC is found enriched at intragenic CpG islands and long interspersed nuclear element–1 retrotransposons.

After mitosis, mammalian chromosomes partially decondense to occupy distinct territories in the cell nucleus. Current models propose that territories are separated by an interchromatin domain, rich in soluble nuclear machinery, where only rare interchromosomal interactions can occur via extended chromatin loops. In contrast, recent evidence for chromatin mobility and high frequency of chromosome translocations are consistent with significant levels of chromosome intermingling, with important consequences for genome function and stability. Here we use a novel high-resolution in situ hybridization procedure that preserves chromatin nanostructure to show that chromosome territories intermingle significantly in the nucleus of human cells. The degree of intermingling between specific chromosome pairs in human lymphocytes correlates with the frequency of chromosome translocations in the same cell type, implying that double-strand breaks formed within areas of intermingling are more likely to participate in interchromosomal rearrangements. The presence of transcription factories in regions of intermingling and the effect of transcription impairment on the interactions between chromosomes shows that transcription-dependent interchromosomal associations shape chromosome organization in mammalian cells. These findings suggest that local chromatin conformation and gene transcription influence the extent with which chromosomes interact and affect their overall properties, with direct consequences for cell-type specific genome stability.

The organization of the genome in the nucleus and the interactions of genes with their regulatory elements are key features of transcriptional control and their disruption can cause disease. Here we report a genome-wide method, genome architecture mapping (GAM), for measuring chromatin contacts and other features of three-dimensional chromatin topology on the basis of sequencing DNA from a large collection of thin nuclear sections. We apply GAM to mouse embryonic stem cells and identify enrichment for specific interactions between active genes and enhancers across very large genomic distances using a mathematical model termed SLICE (statistical inference of co-segregation). GAM also reveals an abundance of three-way contacts across the genome, especially between regions that are highly transcribed or contain super-enhancers, providing a level of insight into genome architecture that, owing to the technical limitations of current technologies, has previously remained unattainable. Furthermore, GAM highlights a role for gene-expression-specific contacts in organizing the genome in mammalian nuclei. A technique called genome architecture mapping (GAM) involves sequencing DNA from a large number of thin nuclear cryosections to develop a map of genome organization without the limitations of existing 3C-based methods. Our understanding of the three-dimensional organization of the genome in the nucleus has improved dramatically as a result of both developments in microscopy and molecular methods based on chromatin conformation capture (3C). Here, Ana Pombo and colleagues present a novel method of measuring chromatin contacts, called genome architecture mapping (GAM). GAM involves sequencing DNA from a large collection of thin nuclear cryosections and, unlike 3C methods, does not require ligation to capture contacts in an unbiased manner. It overcomes some of the limitations of 3C-based methods and reveals abundant three-way contacts across the genome.

Genome-wide erasure of DNA methylation takes place in primordial germ cells (PGCs) and early embryos and is linked with pluripotency. Inhibition of Erk1/2 and Gsk3β signaling in mouse embryonic stem cells (ESCs) by small-molecule inhibitors (called 2i) has recently been shown to induce hypomethylation. We show by whole-genome bisulphite sequencing that 2i induces rapid and genome-wide demethylation on a scale and pattern similar to that in migratory PGCs and early embryos. Major satellites, intracisternal A particles (IAPs), and imprinted genes remain relatively resistant to erasure. Demethylation involves oxidation of 5-methylcytosine (5mC) to 5-hydroxymethylcytosine (5hmC), impaired maintenance of 5mC and 5hmC, and repression of the de novo methyltransferases (Dnmt3a and Dnmt3b) and Dnmt3L. We identify a Prdm14- and Nanog-binding cis-acting regulatory region in Dnmt3b that is highly responsive to signaling. These insights provide a framework for understanding how signaling pathways regulate reprogramming to an epigenetic ground state of pluripotency.

The enzymatic control of the setting and maintenance of symmetric and non-symmetric DNA methylation patterns in a particular genome context is not well understood. Here, we describe a comprehensive analysis of DNA methylation patterns generated by high resolution sequencing of hairpin-bisulfite amplicons of selected single copy genes and repetitive elements (LINE1, B1, IAP-LTR-retrotransposons, and major satellites). The analysis unambiguously identifies a substantial amount of regional incomplete methylation maintenance, i.e. hemimethylated CpG positions, with variant degrees among cell types. Moreover, non-CpG cytosine methylation is confined to ESCs and exclusively catalysed by Dnmt3a and Dnmt3b. This sequence position–, cell type–, and region-dependent non-CpG methylation is strongly linked to neighboring CpG methylation and requires the presence of Dnmt3L. The generation of a comprehensive data set of 146,000 CpG dyads was used to apply and develop parameter estimated hidden Markov models (HMM) to calculate the relative contribution of DNA methyltransferases (Dnmts) for de novo and maintenance DNA methylation. The comparative modelling included wild-type ESCs and mutant ESCs deficient for Dnmt1, Dnmt3a, Dnmt3b, or Dnmt3a/3b, respectively. The HMM analysis identifies a considerable de novo methylation activity for Dnmt1 at certain repetitive elements and single copy sequences. Dnmt3a and Dnmt3b contribute de novo function. However, both enzymes are also essential to maintain symmetrical CpG methylation at distinct repetitive and single copy sequences in ESCs.

To uncover the function of and interplay between the mammalian cytosine modifications 5-methylcytosine (5mC) and 5-hydroxymethylcytosine (5hmC), new techniques and advances in current technology are needed. To this end, we have developed oxidative bisulfite sequencing (oxBS-seq), which can quantitatively locate 5mC and 5hmC marks at single-base resolution in genomic DNA. In bisulfite sequencing (BS-seq), both 5mC and 5hmC are read as cytosines and thus cannot be discriminated; however, in oxBS-seq, specific oxidation of 5hmC to 5-formylcytosine (5fC) and conversion of the newly formed 5fC to uracil (under bisulfite conditions) means that 5hmC can be discriminated from 5mC. A positive readout of actual 5mC is gained from a single oxBS-seq run, and 5hmC levels are inferred by comparison with a BS-seq run. Here we describe an optimized second-generation protocol that can be completed in 2 d.

Whole-genome bisulfite sequencing (WGBS) is becoming an increasingly accessible technique, used widely for both fundamental and disease-oriented research. Library preparation methods benefit from a variety of available kits, polymerases and bisulfite conversion protocols. Although some steps in the procedure, such as PCR amplification, are known to introduce biases, a systematic evaluation of biases in WGBS strategies is missing. We perform a comparative analysis of several commonly used pre- and post-bisulfite WGBS library preparation protocols for their performance and quality of sequencing outputs. Our results show that bisulfite conversion per se is the main trigger of pronounced sequencing biases, and PCR amplification builds on these underlying artefacts. The majority of standard library preparation methods yield a significantly biased sequence output and overestimate global methylation. Importantly, both absolute and relative methylation levels at specific genomic regions vary substantially between methods, with clear implications for DNA methylation studies. We show that amplification-free library preparation is the least biased approach for WGBS. In protocols with amplification, the choice of bisulfite conversion protocol or polymerase can significantly minimize artefacts. To aid with the quality assessment of existing WGBS datasets, we have integrated a bias diagnostic tool in the Bismark package and offer several approaches for consideration during the preparation and analysis of WGBS datasets.

Methylation of cytosine in DNA (5mC) is an important epigenetic mark that is involved in the regulation of genome function. During early embryonic development in mammals, the methylation landscape is dynamically reprogrammed in part through active demethylation. Recent advances have identified key players involved in active demethylation pathways, including oxidation of 5mC to 5-hydroxymethylcytosine (5hmC) and 5-formylcytosine (5fC) by the TET enzymes, and excision of 5fC by the base excision repair enzyme thymine DNA glycosylase (TDG). Here, we provide the first genome-wide map of 5fC in mouse embryonic stem (ES) cells and evaluate potential roles for 5fC in differentiation. Our method exploits the unique reactivity of 5fC for pulldown and high-throughput sequencing. Genome-wide mapping revealed 5fC enrichment in CpG islands (CGIs) of promoters and exons. CGI promoters in which 5fC was relatively more enriched than 5mC or 5hmC corresponded to transcriptionally active genes. Accordingly, 5fC-rich promoters had elevated H3K4me3 levels, associated with active transcription, and were frequently bound by RNA polymerase II. TDG down-regulation led to 5fC accumulation in CGIs in ES cells, which correlates with increased methylation in these genomic regions during differentiation of ES cells in wild-type and TDG knockout contexts. Collectively, our data suggest that 5fC plays a role in epigenetic reprogramming within specific genomic regions, which is controlled in part by TDG-mediated excision. Notably, 5fC excision in ES cells is necessary for the correct establishment of CGI methylation patterns during differentiation and hence for appropriate patterns of gene expression during development.

Abstract Acute myeloid leukemia (AML) is a highly aggressive hematopoietic malignancy, defined by a series of genetic and epigenetic alterations, which result in deregulation of transcriptional networks. One understudied but important source of transcriptional regulators are transposable elements (TEs), which are widespread throughout the human genome. Aberrant usage of these sequences could therefore contribute to oncogenic transcriptional circuits. However, the regulatory influence of TEs and their links to disease pathogenesis remain unexplored in AML. Using epigenomic data from AML primary samples and leukemia cell lines, we identified six endogenous retrovirus (ERV) families with AML-associated enhancer chromatin signatures that are enriched in binding of key regulators of hematopoiesis and AML pathogenesis. Using both CRISPR-mediated locus-specific genetic editing and simultaneous epigenetic silencing of multiple ERVs, we demonstrate that ERV deregulation directly alters the expression of adjacent genes in AML. Strikingly, deletion or epigenetic silencing of an ERV-derived enhancer suppressed cell growth by inducing apoptosis in leukemia cell lines. Our work reveals that ERVs are a previously unappreciated source of AML enhancers that have the potential to play key roles in leukemogenesis. We suggest that ERV activation provides an additional layer of gene regulation in AML that may be exploited by cancer cells to help drive tumour heterogeneity and evolution.

ABSTRACT Several studies have shown a role for Stag proteins in cell identity. Our understanding of how Stag proteins contribute to cell identity have largely been focused on its roles in chromosome topology as part of the cohesin complex and the impact on protein-coding gene expression. Furthermore, several Stag paralogs exist in mammalian cells with non-reciprocal chromosome structure and cohesion functions. Why cells have so many Stag proteins and what specific functions each Stag protein performs to support a given cell state are poorly understood. Here we reveal that Stag1 is the dominant paralog in mouse embryonic stem cells (mESC) and is required for pluripotency. Through the discovery of diverse, naturally occurring Stag1 isoforms in mESCs, we shed new light not only on the unique ends of Stag1 but also the critical role that their levels play in stem cell identity. Furthermore, we revel a new role for Stag1, and specifically its unique N-terminal end, in regulating nucleolar integrity and safeguarding mESCs from totipotency. Stag1 is localised to repressive perinucleolar regions, bound at repeats and interacts with Nucleolin and TRIM28. Loss of the Stag1 N-terminus, leads to decreased LINE-1 and rRNA expression and disruption of nucleolar structure and function which consequently leads to activation of the two-cell-like (2C-LC)-specific transcription factor DUX and conversion of pluripotent mESCs to totipotent 2C-LCs. Our results move beyond protein-coding gene regulation via chromatin loops into a new role for Stag1 in repeat regulation and nucleolar structure, and offer fresh perspectives on how Stag proteins contribute to cell identity and disease.