ABSTRACT Pluripotent embryonic stem cells (ESCs) have a transcriptionally permissive chromatin environment enriched for gene activation-associated histone modifications as compared to somatic cells. A striking exception is DOT1L-mediated H3K79 methylation that is considered a positive regulator of transcription. Here we find that ESCs maintain low H3K79 methylation to facilitate RNA polymerase II (RNAPII) elongation for greater nascent transcription. Inhibiting DOT1L during the reprogramming of somatic to induced pluripotent stem cells (iPSCs) enables ESC-like RNAPII and transcriptional status. Mechanistically, DOT1L inhibition causes a local gain of histone acetylation at genes that lose the most H3K79me, which unexpectedly are ubiquitously expressed genes that perform essential functions in every cell, rather than lineage specifying genes. Maintenance of this elevated histone acetylation is required for the enhanced conversion to iPSCs upon DOT1L inhibition. Remarkably, increasing global DOT1L or site-specific tethering of DOT1L is sufficient to decrease H3K9ac in ESCs. We discover a high H3ac-low H3K79me epigenetic mechanism that promotes transcription elongation at ubiquitously expressed genes to enforce pluripotent cell identity.

Dietary protein and essential amino acid (EAA) restriction promotes favorable metabolic reprogramming, ultimately resulting in improvements to both health and lifespan. However, as individual EAAs have distinct catabolites and engage diverse downstream signaling pathways, it remains unclear to what extent shared or AA-specific molecular mechanisms promote diet-associated phenotypes. Here, we investigated the physiological and molecular effects of restricting either dietary methionine, leucine, or isoleucine (Met-R, Leu-R, and Ile-R) for 3 weeks in C57BL/6J male mice. While all 3 AA-depleted diets promoted fat and lean mass loss and slightly improved glucose tolerance, the molecular responses were more diverse; while hepatic metabolites altered by Met-R and Leu-R were highly similar, Ile-R led to dramatic changes in metabolites, including a 3-fold reduction in the oncometabolite 2-hydroxyglutarate. Pathways regulated in an EAA-specific manner included glycolysis, the pentose phosphate pathway (PPP), nucleotide metabolism, the TCA cycle and amino acid metabolism. Transcriptiome analysis and global profiling of histone post-translational modifications (PTMs) revealed different patterns of responses to each diet, although Met-R and Leu-R again shared similar transcriptional responses. While the pattern of global histone PTMs were largely unique for each dietary intervention, Met-R and Ile-R had similar changes in histone-3 methylation/acetylation PTMs at lysine-9. Few similarities were observed between the physiological or molecular responses to EAA restriction and treatment with rapamycin, an inhibitor of the mTORC1 AA-responsive protein kinase, indicating the response to EAA restriction may be largely independent of mTORC1. Together, these results demonstrate that dietary restriction of individual EAAs has unique, EAA-specific effects on the hepatic metabolome, epigenome, and transcriptome, and suggests that the specific EAAs present in dietary protein may play a key role at regulating health at the molecular level.

S-adenosylmethionine (SAM) is the methyl-donor substrate for DNA and histone methyltransferases that regulate cellular epigenetic states. This metabolism-epigenome link enables the sensitization of chromatin methylation to altered SAM abundance. However, a chromatin-wide understanding of the adaptive/responsive mechanisms that allow cells to actively protect epigenetic information during life-experienced fluctuations in SAM availability are unknown. We identified a robust response to SAM depletion that is highlighted by preferential cytoplasmic and nuclear de novo mono-methylation of H3 Lys 9 (H3K9) at the expense of global losses in histone di- and tri-methylation. Under SAM-depleted conditions, de novo H3K9 mono-methylation preserves heterochromatin stability and supports global epigenetic persistence upon metabolic recovery. This unique chromatin response was robust across the mouse lifespan and correlated with improved metabolic health, supporting a significant role for epigenetic adaptation to SAM depletion in vivo . Together, these studies provide the first evidence for active epigenetic adaptation and persistence to metabolic stress.

Abstract S -adenosylmethionine (SAM) is the methyl donor for site-specific methylation reactions on histone proteins, imparting key epigenetic information. During SAM-depleted conditions that can arise from dietary methionine restriction, lysine di- and tri-methylation are reduced while sites such as Histone-3 lysine-9 (H3K9) are actively maintained, allowing cells to restore higher-state methylation upon metabolic recovery. Here, we investigated if the intrinsic catalytic properties of H3K9 histone methyltransferases (HMTs) contribute to this epigenetic persistence. We employed systematic kinetic analyses and substrate binding assays using four recombinant H3K9 HMTs (i.e., EHMT1, EHMT2, SUV39H1, and SUV39H2). At both high and low (sub-saturating) [SAM], all HMTs displayed the highest catalytic efficiency ( k cat /K M ) for monomethylation compared to di- and trimethylation on H3 peptide substrates. The favored monomethylation reaction was also reflected in k cat values, apart from SUV39H2 which displayed a similar k cat regardless of substrate methylation state. Using differentially-methylated nucleosomes as substrates, kinetic analyses of EHMT1 and EHMT2 revealed similar catalytic preferences. Orthogonal binding assays revealed only small differences in substrate affinity across methylation states, suggesting that catalytic steps dictate the monomethylation preferences of EHMT1, EHMT2, and SUV39H1. To link in vitro catalytic rates with nuclear methylation dynamics, we built a mathematical model incorporating measured kinetic parameters and a time course of mass spectrometry-based H3K9 methylation measurements following cellular SAM depletion. The model revealed that the intrinsic kinetic constants of the catalytic domains could recapitulate in vivo observations. Together, these results suggest catalytic discrimination by H3K9 HMTs maintain nuclear H3K9me1, ensuring epigenetic persistence after metabolic stress.