Summary

 Cytosine methylation is involved in various biological processes such as silencing of transposable elements (TEs) and imprinting. Multiple pathways regulate DNA methylation in different sequence contexts, but the factors that regulate DNA methylation at a given site in the genome largely remain unknown. Here we have surveyed the methylomes of a comprehensive list of 86 Arabidopsis gene silencing mutants by generating single-nucleotide resolution maps of DNA methylation. We find that DNA methylation is site specifically regulated by different factors. Furthermore, we have identified additional regulators of DNA methylation. These data and analyses will serve as a comprehensive community resource for further understanding the control of DNA methylation patterning.

Non-CG methylation is abundant in plants, but its functions are poorly understood. A new study has uncovered the contributions of each non-CG methyltransferase, including the poorly characterized methyltransferase CMT2, to DNA methylation patterning and gene silencing. The results suggest that non-CG methyltransferases participate in self-reinforcing loop mechanisms with histone H3 K9 methylation and small RNAs to control gene silencing throughout the Arabidopsis genome. DNA methylation occurs in CG and non-CG sequence contexts. Non-CG methylation is abundant in plants and is mediated by CHROMOMETHYLASE (CMT) and DOMAINS REARRANGED METHYLTRANSFERASE (DRM) proteins; however, its roles remain poorly understood. Here we characterize the roles of non-CG methylation in Arabidopsis thaliana. We show that a poorly characterized methyltransferase, CMT2, is a functional methyltransferase in vitro and in vivo. CMT2 preferentially binds histone H3 Lys9 (H3K9) dimethylation and methylates non-CG cytosines that are regulated by H3K9 methylation. We revealed the contributions and redundancies between each non-CG methyltransferase in DNA methylation patterning and in regulating transcription. We also demonstrate extensive dependencies of small-RNA accumulation and H3K9 methylation patterning on non-CG methylation, suggesting self-reinforcing mechanisms between these epigenetic factors. The results suggest that non-CG methylation patterns are critical in shaping the landscapes of histone modification and small noncoding RNA.

A genome-wide analysis in the plant Arabidopsis thaliana of the positioning of the nucleosomes — the nucleoprotein molecules that organize and control access to genomic DNA — combined with profiles of DNA methylation at single-base resolution, reveals 10-base periodicities in the DNA methylation status of nucleosome-bound DNA. The results suggest that nucleosome position influences DNA methylation patterning in the genome, and that DNA methyltransferases preferentially target nucleosome-bound DNA. Similar trends were observed in human nucleosomal DNA, indicating that the relationships between nucleosomes and DNA methyltransferases are conserved. Nucleosomes are composed of around 147 bases of DNA wrapped around an octamer of histone proteins. Here, a genome-wide analysis of nucleosome positioning in Arabidopsis thaliana has been combined with profiles of DNA methylation at single base resolution, revealing 10-base periodicities in the DNA methylation status of nucleosome-bound DNA. The results indicate that nucleosome positioning influences the pattern of DNA methylation throughout the genome. Nucleosomes compact and regulate access to DNA in the nucleus, and are composed of approximately 147 bases of DNA wrapped around a histone octamer1,2. Here we report a genome-wide nucleosome positioning analysis of Arabidopsis thaliana using massively parallel sequencing of mononucleosomes. By combining this data with profiles of DNA methylation at single base resolution, we identified 10-base periodicities in the DNA methylation status of nucleosome-bound DNA and found that nucleosomal DNA was more highly methylated than flanking DNA. These results indicate that nucleosome positioning influences DNA methylation patterning throughout the genome and that DNA methyltransferases preferentially target nucleosome-bound DNA. We also observed similar trends in human nucleosomal DNA, indicating that the relationships between nucleosomes and DNA methyltransferases are conserved. Finally, as has been observed in animals, nucleosomes were highly enriched on exons, and preferentially positioned at intron–exon and exon–intron boundaries. RNA polymerase II (Pol II) was also enriched on exons relative to introns, consistent with the hypothesis that nucleosome positioning regulates Pol II processivity. DNA methylation is also enriched on exons, consistent with the targeting of DNA methylation to nucleosomes, and suggesting a role for DNA methylation in exon definition.

Rett syndrome is caused by mutation of the MECP2 gene that codes for a protein that binds methylated DNA; this study reveals that MeCP2 affects the expression of long genes, which often serve neuronal functions. Autism-related Rett syndrome is caused by disruption of the MECP2 gene, which codes for a methyl-DNA binding protein, but how MECP2 may control transcription of other genes has remained unclear. Now Michael Greenberg and colleagues show that disruption of the Mecp2 gene in a mouse model and in human Rett syndrome leads to preferential upregulation of longer genes, and that these often serve neuronal functions. Further data indicate that decreasing the expression of long genes, via hypomethylation of the dinucleotide CA, attenuates Rett-related dysfunctions in cultured neurons lacking MECP2. Disruption of the MECP2 gene leads to Rett syndrome (RTT), a severe neurological disorder with features of autism1. MECP2 encodes a methyl-DNA-binding protein2 that has been proposed to function as a transcriptional repressor, but despite numerous mouse studies examining neuronal gene expression in Mecp2 mutants, no clear model has emerged for how MeCP2 protein regulates transcription3,4,5,6,7,8,9. Here we identify a genome-wide length-dependent increase in gene expression in MeCP2 mutant mouse models and human RTT brains. We present evidence that MeCP2 represses gene expression by binding to methylated CA sites within long genes, and that in neurons lacking MeCP2, decreasing the expression of long genes attenuates RTT-associated cellular deficits. In addition, we find that long genes as a population are enriched for neuronal functions and selectively expressed in the brain. These findings suggest that mutations in MeCP2 may cause neurological dysfunction by specifically disrupting long gene expression in the brain.

Summary

 DNA methylation and histone modification exert epigenetic control over gene expression. CHG methylation by CHROMOMETHYLASE3 (CMT3) depends on histone H3K9 dimethylation (H3K9me2), but the mechanism underlying this relationship is poorly understood. Here, we report multiple lines of evidence that CMT3 interacts with H3K9me2-containing nucleosomes. CMT3 genome locations nearly perfectly correlated with H3K9me2, and CMT3 stably associated with H3K9me2-containing nucleosomes. Crystal structures of maize CMT3 homolog ZMET2, in complex with H3K9me2 peptides, showed that ZMET2 binds H3K9me2 via both bromo adjacent homology (BAH) and chromo domains. The structures reveal an aromatic cage within both BAH and chromo domains as interaction interfaces that capture H3K9me2. Mutations that abolish either interaction disrupt CMT3 binding to nucleosomes and show a complete loss of CMT3 activity in vivo. Our study establishes dual recognition of H3K9me2 marks by BAH and chromo domains and reveals a distinct mechanism of interplay between DNA methylation and histone modification.

5-Hydroxymethylcytosine (5hmC) was recently found to be abundantly present in certain cell types, including embryonic stem cells. There is growing evidence that TET proteins, which convert 5-methylcytosine (5mC) to 5hmC, play important biological roles. To further understand the function of 5hmC, an analysis of the genome-wide localization of this mark is required. Here, we have generated a genome-wide map of 5hmC in human embryonic stem cells by hmeDIP-seq, in which hydroxymethyl-DNA immunoprecipitation is followed by massively parallel sequencing. We found that 5hmC is enriched in enhancers as well as in gene bodies, suggesting a potential role for 5hmC in gene regulation. Consistent with localization of 5hmC at enhancers, 5hmC was significantly enriched in histone modifications associated with enhancers, such as H3K4me1 and H3K27ac. 5hmC was also enriched in other protein-DNA interaction sites, such as OCT4 and NANOG binding sites. Furthermore, we found that 5hmC regions tend to have an excess of G over C on one strand of DNA. Our findings suggest that 5hmC may be targeted to certain genomic regions based both on gene expression and sequence composition.

Transposable elements (TEs) and DNA repeats are commonly targeted by DNA and histone methylation to achieve epigenetic gene silencing. We isolated mutations in two Arabidopsis genes, AtMORC1 and AtMORC6, which cause derepression of DNA-methylated genes and TEs but no losses of DNA or histone methylation. AtMORC1 and AtMORC6 are members of the conserved Microrchidia (MORC) adenosine triphosphatase (ATPase) family, which are predicted to catalyze alterations in chromosome superstructure. The atmorc1 and atmorc6 mutants show decondensation of pericentromeric heterochromatin, increased interaction of pericentromeric regions with the rest of the genome, and transcriptional defects that are largely restricted to loci residing in pericentromeric regions. Knockdown of the single MORC homolog in Caenorhabditis elegans also impairs transgene silencing. We propose that the MORC ATPases are conserved regulators of gene silencing in eukaryotes.

Significance DNA methylation in plants is found at CG, CHG, and CHH sequence contexts. In plants, CG DNA methylation is enriched in the transcribed regions of many constitutively expressed genes (gene body methylation; gbM) and shows correlations with several chromatin modifications. Contrary to other types of DNA methylation, the evolution and function of gbM are largely unknown. Here we show two independent concomitant losses of the DNA methyltransferase CHROMOMETHYLASE 3 (CMT3) and gbM without the predicted disruption of transcription and of modifications to chromatin. This result suggests that CMT3 is required for the establishment of gbM in actively transcribed genes, and that gbM is dispensable for normal transcription as well as for the composition and modification of plant chromatin.