Dynamic changes in 5-methylcytosine (5mC) have been implicated in the regulation of gene expression critical for consolidation of memory. However, little is known about how these changes in 5mC are regulated in the adult brain. The enzyme methylcytosine dioxygenase TET1 (TET1) has been shown to promote active DNA demethylation in the nervous system. Therefore, we took a viral-mediated approach to overexpress the protein in the hippocampus and examine its potential involvement in memory formation. We found that Tet1 is a neuronal activity-regulated gene and that its overexpression leads to global changes in modified cytosine levels. Furthermore, expression of TET1 or a catalytically inactive mutant (TET1m) resulted in the upregulation of several neuronal memory-associated genes and impaired contextual fear memory. In summary, we show that neuronal Tet1 regulates DNA methylation levels and that its expression, independent of its catalytic activity, regulates the expression of CNS activity-dependent genes and memory formation.

The dynamic regulation of DNA methylation in post-mitotic neurons is necessary for memory formation and other adaptive behaviors. Ten-eleven translocation 1 (TET1) plays a part in these processes by oxidizing 5-methylcytosine (5mC) to 5-hydroxymethylcytosine (5hmC), thereby initiating active DNA demethylation. However, attempts to pinpoint its exact role in the nervous system have been hindered by contradictory findings, perhaps due in part, to a recent discovery that two isoforms of the Tet1 gene are differentially expressed from early development into adulthood. Here, we demonstrate that both the shorter transcript ( Tet1 S ) encoding an N-terminally truncated TET1 protein and a full-length Tet1 ( Tet1 FL ) transcript encoding canonical TET1 are co-expressed in the adult brain. We show that Tet1 S is the predominantly expressed isoform, and is highly enriched in neurons, whereas Tet1 FL is generally expressed at lower levels and more abundant in glia, suggesting their roles are at least partially cell-type specific. Using viral-mediated, isoform- and neuron-specific molecular tools, we find that Tet1 S repression enhances, while Tet1 FL impairs, hippocampal-dependent memory. In addition, the individual disruption of the two isoforms leads to contrasting changes in basal synaptic transmission and the dysregulation of unique gene ensembles in hippocampal neurons. Together, our findings demonstrate that each Tet1 isoform serves a distinct role in the mammalian brain.

Despite being fully differentiated, DNA methylation is dynamically regulated in post-mitotic glutamatergic neurons in the CA1 of the hippocampus through competing active DNA methylation and de-methylation, a process that regulates neuronal plasticity. Active DNA methylation after learning is necessary for long-term memory formation, and active DNA de-methylation by the TET enzymes has been implicated as a counter-regulator of that biochemical process. We demonstrate that Tet2 functions in the CA1 as a negative regulator of long-term memory, whereby its knockdown across the CA1 or haploinsufficiency in glutamatergic neurons enhances the fidelity of hippocampal-dependent spatial and associative memory. Loci of altered DNA methylation were then determined using whole genome bisulfite sequencing from glutamatergic Tet2 haploinsufficient CA1 tissue, which revealed hypermethylation in the promoters of genes known to be transcriptionally regulated after experiential learning. This study demonstrates a link between Tet2 activity at genes important for memory formation in CA1 glutamatergic neurons and memory fidelity.

Tumor-associated macrophages and microglia (TAMs) are highly abundant myeloid cells in gliomas, with their phenotype and immune response determined by ontogeny and microenvironment. TAMs display distinctive transcriptional programs according to the IDH mutation status but the underlying regulatory mechanisms remain largely unknown. Herein, we uncovered that CD11B+ myeloid cells in human IDHmut gliomas exhibit DNA hypermethylation predominantly at distal enhancers. This hypermethylation was linked to decreased expression of genes involved in inflammatory responses and glycolytic metabolism, and the inactivation of transcription factors that regulate the microglial response to environmental stimuli. Prolonged exposure of human primary microglia to D-2-hydroxyglutarate (D-2HG) inhibits TET-mediated 5mC oxidation, resulting in a reduced accumulation of global 5hmC levels. We confirmed high 5mC/5hmC ratios at lineage-specific enhancers, by analyzing CpGs at single-base resolution. D-2HG-treated microglia show reduced proinflammatory capacity and enhanced oxidative phosphorylation, consistent with the remodeled enhancer landscape. Conversely, depletion of D-2HG following treatment of a glioma patient with a mutant IDH inhibitor unleashed an activating response in microglia, as assessed by snRNA-seq. Our findings provide a mechanistic rationale for the hyporesponsive state of microglia in IDHmut gliomas and support the concept that oncometabolites may disrupt the function of immune cells residing in the tumor microenvironment.

Voltage-gated sodium (Nav) channels play a central role in the generation and propagation of action potentials in excitable cells such as neurons and muscles. To determine how the phenotypes of Nav-channel mutants are affected by other genes, we performed a forward genetic screen for dominant modifiers of the seizure-prone, gain-of-function Drosophila melanogaster Nav-channel mutant, paraShu. Our analyses using chromosome deficiencies, gene-specific RNA interference, and single-gene mutants revealed that a null allele of glutathione S-transferase S1 (GstS1) dominantly suppresses paraShu phenotypes. Reduced GstS1 function also suppressed phenotypes of other seizure-prone Nav-channel mutants, paraGEFS+ and parabss. Notably, paraShu mutants expressed 50% less GstS1 than wild-type flies, further supporting the notion that paraShu and GstS1 interact functionally. Introduction of a loss-of-function GstS1 mutation into a paraShu background led to up- and down-regulation of various genes, with those encoding cytochrome P450 (CYP) enzymes most significantly over-represented in this group. Because GstS1 is a fly ortholog of mammalian hematopoietic prostaglandin D synthase, and in mammals CYPs are involved in the oxygenation of polyunsaturated fatty acids including prostaglandins, our results raise the intriguing possibility that bioactive lipids play a role in GstS1-mediated suppression of paraShu phenotypes.