DNA methylation was first described almost a century ago; however, the rules governing its establishment and maintenance remain elusive. Here we present data demonstrating that active transcription regulates levels of genomic methylation. We identify a novel RNA arising from the CEBPA gene locus that is critical in regulating the local DNA methylation profile. This RNA binds to DNMT1 and prevents CEBPA gene locus methylation. Deep sequencing of transcripts associated with DNMT1 combined with genome-scale methylation and expression profiling extend the generality of this finding to numerous gene loci. Collectively, these results delineate the nature of DNMT1-RNA interactions and suggest strategies for gene-selective demethylation of therapeutic targets in human diseases.

Abstract Aberrant DNA methylation in the region surrounding the transcription start site is a hallmark of gene silencing in cancer. Currently approved demethylating agents lack specificity and exhibit high toxicity. Herein we show, using the p16 gene as an example, that targeted demethylation of the promoter-exon 1-intron 1 (PrExI) region initiates an epigenetic wave of local chromatin remodeling and distal long-range interactions, culminating in gene-locus specific activation. Through development of CRISPR-DiR (DNMT1-interacting RNA), in which ad hoc edited guides block methyltransferase activity in a locus-specific fashion, we demonstrate that demethylation is coupled to epigenetic and topological changes. These results suggest the existence of a specialized “demethylation firing center (DFC)” which can be switched on by an adaptable and selective RNA-mediated approach for locus-specific transcriptional activation. One Sentence Summary Locus demethylation via CRISPR-DiR reshapes chromatin structure and specifically reactivates its cognate gene.

Abstract The mechanisms by which epigenetic modifications are established in gene regulatory regions of active genes remain poorly understood. The data presented show that the establishment and recycling of a major epigenetic mark, the acetylated form of the replacement histone H2A.Z, is regulated by cell cycle-specific long noncoding RNAs encoded in regions adjacent to the promoters of active genes. These transcripts, termed SPEARs (S Phase EArly RNAs), are induced in early S phase: their expression precedes that of the downstream genes on which they exert their regulatory action. SPEARs drive the modification and deposition of the acetylated form of histone H2A.Z by bringing together the replacement histone and the histone acetyl transferase TIP60. This widespread bimodal pathway constitutes a novel RNA-mediated mechanism for the establishment of epigenetic marks and cell-specific epigenetic profiles, thereby providing a unifying explanation for the accuracy and persistence of epigenetic marks on chromatin.

Summary paragraph The blood system serves as a key model for cell differentiation and cancer. It is orchestrated by precise spatiotemporal expression of the hematopoietic master regulator PU.1 1–4 . PU.1 gene expression is regulated through enhancer-promoter interactions within a topologically associated domain (TAD) 5,6 . PU.1 levels increase during myeloid differentiation while failure to do so results in myeloid leukemia 7 . In contrast, T-cell differentiation requires PU.1 to be completely switched off 8–10 . Little is known about the precise mechanisms of PU.1 repression, physiological as in T-cell differentiation, or pathological as in leukemia. Here we demonstrate that the down-regulation of PU.1 mRNA is a dynamic process involving an alternative promoter 11 in intron 3 that is induced by RUNX transcription factors driving noncoding antisense transcription. Core binding factor (CBF) fusions, RUNX1-ETO and CBFβ-MYH11 in t(8;21) and inv(16) acute myeloid leukemia (AML) 12 , activate the PU.1 antisense promoter, thus shifting from sense towards antisense transcription and blocking myeloid differentiation. In patients with CBF-AML, we found that an elevated antisense/sense ratio represents a hallmark compared to normal karyotype AML or healthy CD34+ cells. Competitive interaction of the enhancer with the proximal or the antisense promoter are at the heart of differential PU.1 expression during myeloid and T-cell development. Leukemic CBF fusions thus utilize a physiologic mechanism employed by T-cells to decrease sense PU.1 transcription. Our results identify the first example of a sense/antisense promoter competition as a crucial functional switch for gene expression perturbation by oncogenes. This novel basic disease mechanism reveals a previously unknown Achilles heel for future precise therapeutic targeting of oncogene-induced chromatin remodeling.

ABSTRACT The mechanism underlying cell type-specific gene induction conferred by ubiquitous transcription factors as well as disruptions caused by their chimeric derivatives in leukemia is not well understood. Here we investigate whether RNAs coordinate with transcription factors to drive myeloid gene transcription. In an integrated genome-wide approach surveying for gene loci exhibiting concurrent RNA- and DNA-interactions with the broadly expressed transcription factor RUNX1, we identified the long noncoding RNA LOUP . This myeloid-specific and polyadenylated lncRNA induces myeloid differentiation and inhibits cell growth, acting as a transcriptional inducer of the myeloid master regulator PU . 1 . Mechanistically, LOUP recruits RUNX1 to both the PU . 1 enhancer and the promoter, leading to the formation of an active chromatin loop. In t(8;21) acute myeloid leukemia, wherein RUNX1 is fused to ETO, the resulting oncogenic fusion protein RUNX1-ETO limits chromatin accessibility at the LOUP locus, causing inhibition of LOUP and PU . 1 expression. These findings highlight the important role of the interplay between cell type-specific RNAs and transcription factors as well as their oncogenic derivatives in modulating lineage-gene activation and raise the possibility that RNA regulators of transcription factors represent alternative targets for therapeutic development. KEY POINTS lncRNA LOUP coordinates with RUNX1 to induces PU . 1 long-range transcription, conferring myeloid differentiation and inhibiting cell growth. RUNX1-ETO limits chromatin accessibility at the LOUP locus, causing inhibition of LOUP and PU . 1 expression in t(8;21) AML.

Abstract Nutritional intake impacts the human epigenome by directing epigenetic pathways in normal cell development via as yet unknown molecular mechanisms. Consequently, imbalance in the nutritional intake is able to dysregulate the epigenetic profile and drive cells towards malignant transformation. Herein, we present a novel epigenetic effect of the essential nutrient, NAD. We demonstrate that impairment of DNMT1 enzymatic activity by NAD-promoted ADP-ribosylation, leads to demethylation and transcriptional activation of CEBPA gene, suggesting the existence of an unknown NAD-controlled region within the locus. In addition to the molecular events, NAD treated cells exhibit significant morphological and phenotypical changes that correspond to myeloid differentiation. Collectively, these results delineate a novel role for NAD in cell differentiation and indicate novel nutri-epigenetic strategy to regulate and control gene expression in human cells.

Summary Coordinated initiation of DNA replication is essential to ensure efficient and timely DNA synthesis. Yet, the mechanism governing the “initiation” process in eukaryotic cells remains elusive. Here, we present data demonstrating a novel feature of RNAs transcribed in the proximity of actively replicating gene loci. We show that S-ph A se-RNAs a NC horing OR C1 (ANCOR s ) to the histone variant H2A.Z are licensors of the DNA replication process. The concomitant ANCOR-H2A.Z interaction is essential for the cells to initiate duplication of their genetic heritage. Widespread and locus-specific perturbations of these transcripts correlate with anomalous replication patterns and loss of the replicative marker at the origin site. Collectively, we unveil an RNA-mediated mechanism as the missing link for the generation of active replication origins and delineate a potential strategy to modulate replication in human cells at a local and global level.