Abstract Epigenetic mechanisms are essential to establish and safeguard cellular identities in mammals. They dynamically regulate the expression of genes, transposable elements, and higher-order chromatin structures. Expectedly, these chromatin marks are indispensable for mammalian development and alterations often lead to diseases such as cancer. Molecularly, epigenetic mechanisms rely on factors to establish patterns, interpret them into a transcriptional output, and maintain them across cell divisions. A global picture of these phenomena has started to emerge over the years, yet many of the molecular actors remain to be discovered. In this context, we have developed a reporter system sensitive to epigenetic perturbations to report on repressive pathways based on Dazl, which is normally repressed in mouse ES cells. We used this system for a genome-wide CRISPR knock-out screen, which yielded expected hits (DNMT1, UHRF1, MGA), as well as novel candidates. We prioritized the candidates by secondary screens, and led further experiments on 6 of them: ZBTB14, KDM5C, SPOP, MCM3AP, BEND3, and KMT2D. Our results show that all 6 candidates regulate the expression of germline genes. In addition, we find that removal of ZBTB14, KDM5C, SPOP and MCM3AP led to similar transcriptional responses, including a reactivation of the 2-cell like cell (2CLC) signature. Therefore, our genetic screen has identified new regulators of key cellular states.

Abstract DNA methylation is an essential epigenetic chromatin modification, and its maintenance in mammals requires the protein UHRF1. It is yet unclear if UHRF1 functions solely by stimulating DNA methylation maintenance by DNMT1, or if it has important additional functions. Using degron alleles, we show that UHRF1 depletion causes a much greater loss of DNA methylation than DNMT1 depletion. This is not caused by passive demethylation as UHRF1-depleted cells proliferate more slowly than DNMT1-depleted cells. Instead, bioinformatics, proteomics and genetics experiments establish that UHRF1, besides activating DNMT1, interacts with DNMT3A and DNMT3B and promotes their activity. In addition, we show that UHRF1 antagonizes active DNA demethylation by TET2. Therefore, UHRF1 has non-canonical roles that contribute importantly to DNA methylation homeostasis; these findings have practical implications for epigenetics in health and disease.

Abstract The reshaping of the DNA methylome landscape after prenatal alcohol exposure (PAE) has been well-documented in the adult brain, therefore a long time after the end of the exposure. However, the question of the immediate deposition or loss of DNA methylation marks in the prenatal neocortex, just after the end of PAE has not yet been directly addressed, genome widely. Using a binge-drinking-like model of PAE and capture of the DNA methylome, we have identified differentially methylated regions (DMRs) that are established immediately, within two hours after the end of PAE. Remarkably, these DMRs are prominently and statistically associated with: (i) enhancers that are active in the brain, associated with GO terms of importance for neurogenesis, neurodevelopment, and neuronal differentiation; (ii) genes that, in physiological conditions show dynamic gain in chromatin accessibility and/or upregulation of their expression in the time-window of exposure; (iii) imprinted genes and members of protocadherin genes clusters, two gene families playing key roles in neurodevelopment, whose mono-allelically expression is regulated by DNA methylation and impaired upon PAE. We observed that DMR-containing mono-allelically expressed genes, as well as other genes important for neurodevelopment, are also immediately upregulated upon PAE, suggesting that these early DNA methylation perturbations are thus highly susceptible to rapidly alter gene expression after PAE. DMRs in imprinted and protocadherin genes have been previously identified, both in the adult rodent brain prior-exposed to alcohol prenatally, and in cohorts of children diagnosed with fetal alcohol spectrum disorders (FASD). Our study thus strongly suggests that the DNA methylation profiles of key regulatory regions of these gene families are very quickly disturbed after the PAE and that these immediate altered regions could be persistently affected long after the stress. This strongly reinforces their potential as future biomarkers of PAE. Ethical issues The breeding and treatments of wild type C57BL/6N mice, used for the experimental protocols described in this study have been approved by the Institutional Animal Care and Use Ethical Committee of the Paris University (registration number CEEA-40). The project has been recorded under the following reference by the Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche (#2016040414515579). All efforts were made to reduce stress and pain to animals.

Abstract Breast cancer is the most prevalent type of cancer in women worldwide. Within breast tumors, the basal-like subtype has the worst prognosis and no dedicated therapy, therefore new tools to understand, detect, and treat these tumors are needed. Certain germline genes are re-expressed in tumors, and constitute the Cancer/Testis genes; their misexpression has diagnostic and therapeutic applications. Here, we designed a new approach to examine Cancer/ Testis gene misexpression in breast tumors. We identify several new markers in Luminal and HER-2 positive tumors, some of which predict response to chemotherapy. We then use machine learning to identify the 2 Cancer/Testis genes most associated with basal-like breast tumors: HORMAD1 and CT83. We show that these genes are expressed by tumor cells but not the microenvironment, and that they are not expressed by normal breast progenitors, in other words their activation occurs de novo. We find these genes are epigenetically repressed by DNA methylation, and that their activation upon DNA demethylation is irreversible, providing a memory of past epigenetic disturbances. Basal-like tumors expressing both genes have a poorer outcome than tumors expressing either gene alone or neither gene. Therefore, these findings suggest a potential synergistic effect between Cancer/Testis genes in basal breast tumors; these findings have consequences for the understanding, diagnosis, and therapy of the breast tumors with the worse outcomes.