ABSTRACT Maternal reprogramming of histone methylation is critical for reestablishing totipotency in the zygote, but how histone modifying enzymes are regulated during maternal reprogramming is not well characterized. To address this gap, we asked whether maternal reprogramming by the H3K4me1/2 demethylase SPR-5/LSD1/KDM1A, is regulated by the co-repressor protein, SPR-1/CoREST in C. elegans and mice. In C. elegans , SPR-5 functions as part of a reprogramming switch together with the H3K9 methyltransferase MET-2. By examining germline development, fertility and gene expression in double mutants between spr-1 and met-2 , we find that spr-1 mutants are partially compromised for spr-5; met-2 reprogramming. In mice, we generated a separation of function Lsd1 M448V point mutation that compromises CoREST binding, but only slightly affects LSD1 demethylase activity. When maternal LSD1 in the oocyte is derived exclusively from this allele, the progeny phenocopy the increased perinatal lethality that we previously observed when LSD1 was reduced maternally. Together, these data are consistent with CoREST having a conserved function in facilitating maternal LSD1 epigenetic reprogramming.

The proper regulation of neural stem cell differentiation is required for the proper specification of the central nervous system. Here we investigated the function of the H3K4me1/2 demethylase LSD1/KDM1A during neural stem differentiation in mice. Conditional deletion of LSD1 in nestin -positive neural stem cells results in 100% perinatal lethality after birth with severe motor coordination deficits, retarded growth and defects in brain morphology. Despite these severe defects, motor neuron progenitors and the initial motor neuron population are specified normally and motor neurons with normal morphology can be cultured from these mice in vitro. However, motor neurons cultured from mice lacking LSD1 in neural stem cells continue to inappropriately maintain critical neural stem cell proteins. Taken together these results suggest that, as in other mouse stem cell populations, LSD1 is required to deactivate the stem cell program to enable normal neural stem cell differentiation. However, unlike in other mouse stem cell populations, the inappropriate maintenance of the stem cell program during neural stem cell differentiation may compromise neuronal function rather than neuronal specification.

ABSTRACT Embryos undergo extensive reprogramming at fertilization to prevent the inappropriate inheritance of histone methylation. In C. elegans, this reprogramming is mediated by the H3K4me2 demethylase, SPR-5, and the H3K9 methyltransferase, MET-2. In contrast to this reprogramming, the H3K36 methyltransferase, MES-4, maintains H3K36me2/3 at germline genes between generations to help re-establish the germline. To determine whether the MES-4 germline inheritance system antagonizes spr-5; met-2 reprogramming, we examined the interaction between these two systems. We find that the developmental delay of spr-5; met-2 mutant progeny is associated with ectopic H3K36me2/3 and the ectopic expression of MES-4 targeted germline genes in somatic tissues. Furthermore, the developmental delay is dependent upon MES-4 and the H3K4 methyltransferase, SET-2. We propose that the MES-4 inheritance system prevents critical germline genes from being repressed by maternal spr-5; met-2 reprogramming. Thus, the balance of inherited histone modifications is necessary to distinguish germline versus soma and prevent developmental delay.

Tauopathies are a class of neurodegenerative diseases associated with pathological tau. However, the mechanism through which tau contributes to neurodegeneration remains unknown. Previously, our lab implicated the histone demethylase LSD1 in tau-induced neurodegeneration by showing that LSD1 localizes to pathological tau aggregates in Alzheimer’s disease cases, and that it is continuously required for the survival of hippocampal and cortical neurons in mice. Here, we utilize the P301S tauopathy mouse model to demonstrate that pathological tau can exclude LSD1 from the nucleus in neurons. In addition, we show that reducing LSD1 in these mice is sufficient to highly exacerbate tau-mediated neurodegeneration. Finally, we find that overexpressing LSD1 in the hippocampus of tauopathy mice, even after pathology has formed, is sufficient to significantly delay neurodegeneration. These results suggest that inhibiting LSD1 via sequestration contributes to tau-mediated neurodegeneration. Thus, LSD1 is a promising therapeutic target for tauopathies such as Alzheimer’s disease.