Changes in the cellular environment result in chromatin structure alteration, which in turn regulates gene expression. To learn about the effect of the cellular environment on the transcriptome, we studied the H3K9 de-methylase KDM3A. Using RNA-seq, we found that KDM3A regulates the transcription and alternative splicing of genes associated with cell cycle and DNA damage. We showed that KDM3A undergoes phosphorylation by PKA at serine 265 following DNA damage, and that the phosphorylation is important for a proper cell cycle regulation. We demonstrated that SAT1 alternative splicing, regulated by KDM3A, plays a role in cell cycle regulation. Furthermore we found that KDM3A′s demethylase activity is not needed for SAT1 alternative splicing regulation. In addition, we identified KDM3A′s protein partner ARID1A, the SWI/SNF subunit, and SRSF3 as regulators of SAT1 alternative splicing and showed that KDM3A is essential for SRSF3 binding to SAT1 pre-mRNA. These results suggest that KDM3A serves as a sensor of the environment and an adaptor for splicing factor binding. Our work reveals chromatin sensing of the environment in the regulation of alternative splicing.

ABSTRACT T-cell acute lymphoblastic leukemia (T-ALL) protein 1 (TAL1) is a central transcription factor in hematopoiesis. The timing and level of TAL1 expression orchestrate the differentiation to specialized blood cells and its overexpression is a common cause of T-ALL. Here we studied the two protein isoforms of TAL1, short and long, that are generated by the use of alternative promoters as well as by alternative splicing. We analyzed the expression of each isoform by deleting an enhancer or insulator, or by opening chromatin at the enhancer location. Our results show that each enhancer promotes expression from a specific TAL1 promoter. Expression from a specific promoter gives rise to a unique 5’ UTR with differential regulation of translation. Moreover, our study suggests that the enhancers regulate TAL1 exon 3 alternative splicing by inducing changes in the chromatin at the splice site, which we demonstrate is mediated by KMT2B. Furthermore, our results indicate that TAL1-short binds more strongly to TAL1 E-protein partners and functions as a stronger transcription factor than TAL1-long. Specifically TAL1-short has a unique transcription signature promoting apoptosis. Finally, when we expressed both isoforms in mice bone-marrow, we found that while overexpression of both isoforms prevents lymphoid differentiation, expression of TAL-short alone leads to hematopoietic stem cell exhaustion. Furthermore, we found that TAL1-short promoted erythropoiesis and reduced cell survival in the CML cell line K562. While TAL1 and its partners are considered promising therapeutic targets in the treatment of T-ALL, our results show that TAL1-short could act as a tumor suppressor and suggest that altering TAL1 isoform’s ratio could be a preferred therapeutic approach.

Abstract Structural Maintenance of Chromosomes Flexible Hinge Domain Containing 1 (SMCHD1) is a non-canonical member of the structural maintenance of chromosomes (SMC) protein family involved in the regulation of chromatin structure, epigenetic regulation, and transcription. Mutations in SMCHD1 cause facioscapulohumeral muscular dystrophy type 2 (FSHD2), a rare genetic disorder characterized by progressive muscle weakness and wasting, believed to be caused by aberrant expression of DUX4 in muscle cells. Here we suggest a new role for SMCHD1 as a regulator of alternative splicing in various cell types. We demonstrate how SMCHD1 mutations cause splicing alterations of DNA Methyltransferase 3 Beta DNMT3B which can lead to hypomethylation, DUX4 expression, and FSHD pathogenesis. Analyzing RNA-seq data from muscle biopsies of FSHD2 patients and Smchd1 knocked out cells, we found that hundreds of genes were mis-spliced upon loss of SMCHD1. At least 20% of mis-spliced genes were associated with abnormalities of the musculature. Moreover, we show that mis-spliced exons tend to be bound by SMCHD1, and these exons demonstrate a slower elongation rate, suggesting SMCHD1 binding promotes exon exclusion by slowing RNA polymerase II (RNAPII). Specifically, we discovered that SMCHD1 mutations promote the splicing of the DNMT3B1 isoform of DNMT3B by perturbing RNAPII elongation rate and recruitment of the splicing factor RBM5. The mis-splicing of DNMT3B leads to hypomethylation of the D4Z4 region and DUX4 overexpression. These results suggest that mis-splicing by SMCHD1 may play a major role in FSHD2 pathogenesis by promoting the mis-splicing of different targets including DNMT3B, and highlight the potential for targeting splicing as a therapeutic strategy for this disorder. Significance statement Our study sheds light on how the loss of SMCHD1 drives the pathogenesis of facioscapulohumeral muscular dystrophy (FSHD), a rare genetic disorder characterized by muscle weakness and wasting. We found that SMCHD1 mutations led to changes in splicing of hundreds of genes, 20% of which were related to muscle abnormalities. We found that SMCHD1 tends to bind mis-spliced exons and that its binding slows down the elongation rate of RNA polymerase II often leading to the exclusion of the exon. One of these targets is DNA Methyltransferase 3 Beta (DNMT3B), and we show that the isoform promoted by SMCHD1 mutations leads to hypomethylation of a repeat region near DUX4 and to DUX4 overexpression, a known cause for FSHD. Our results provide insight into the molecular mechanisms underlying this disorder, and suggest splicing modulation as a therapeutic strategy for FSHD.

Abstract Enhancer demethylation in leukemia and lymphoma was shown to lead to overexpression of genes which promote cancer characteristics. The vascular endothelial growth factor A (VEGFA) enhancer, located 157 Kb downstream of its promoter, is demethylated in chronic myeloid leukemia (CML). VEGFA has several alternative splicing isoforms with different roles in vascularization and cancer progression. Since transcription and splicing are coupled in space and time, we hypothesized that the VEGFA enhancer can also regulate the gene’s alternative splicing to contribute to the pathology of CML. Our results show that mutating the VEGFA +157 enhancer promotes exclusion of exons 6b and 7 and activating the enhancer by tethering a chromatin activator has the opposite effect. In line with these results, CML patients display high enhancer activity and inclusion of VEGFA exons 6b and 7. To search for a key protein connecting transcription with alternative splicing, we analyzed 161 chromatin immunoprecipitation (ChIP)-seq experiments for DNA binding proteins and found that PML and CCNT2 bind VEGFA’s promoter and enhancer. CCNT2 is a positive regulator of RNA polymerase II (RNAPII) transcription elongation and indeed its silencing promotes exclusion of exons 6b and 7. Slowing down RNAPII elongation promotes exclusion of exons 6b and 7. Thus our results suggest that VEGFA’s +157 enhancer regulates its alternative splicing by increasing RNAPII elongation rate via CCNT2. Our work demonstrates the importance of the interplay between transcription and alternative splicing.

Structural maintenance of chromosomes flexible hinge domain-containing 1 (SMCHD1) is a noncanonical SMC protein and an epigenetic regulator. Mutations in SMCHD1 cause facioscapulohumeral muscular dystrophy (FSHD), by overexpressing DUX4 in muscle cells. Here, we demonstrate that SMCHD1 is a key regulator of alternative splicing in various cell types. We show how SMCHD1 loss causes splicing alterations of DNMT3B, which can lead to hypomethylation and DUX4 overexpression. Analyzing RNA sequencing data from muscle biopsies of patients with FSHD and Smchd1 knocked out cells, we found mis-splicing of hundreds of genes upon SMCHD1 loss. We conducted a high-throughput screen of splicing factors, revealing the involvement of the splicing factor RBM5 in the mis-splicing of DNMT3B. Subsequent RNA immunoprecipitation experiments confirmed that SMCHD1 is required for RBM5 recruitment. Last, we show that mis-splicing of DNMT3B leads to hypomethylation of the D4Z4 region and to DUX4 overexpression. These results suggest that DNMT3B mis-splicing due to SMCHD1 loss plays a major role in FSHD pathogenesis.