The phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K)/AKT and RAS oncogenic signalling modules are frequently mutated in sporadic human cancer. Although each of these pathways has been shown to play critical roles in driving tumour growth and proliferation, their activation in normal human cells can also promote cell senescence. Although the mechanisms mediating RAS-induced senescence have been well characterised, those controlling PI3K/AKT-induced senescence are poorly understood. Here we show that PI3K/AKT pathway activation in response to phosphatase and tensin homolog (PTEN) knockdown, mutant PI3K, catalytic, α polypeptide (PIK3CA) or activated AKT expression, promotes accumulation of p53 and p21, increases cell size and induces senescence-associated β-galactosidase activity. We demonstrate that AKT-induced senescence is p53-dependent and is characterised by mTORC1-dependent regulation of p53 translation and stabilisation of p53 protein following nucleolar localisation and inactivation of MDM2. The underlying mechanisms of RAS and AKT-induced senescence appear to be distinct, demonstrating that different mediators of senescence may be deregulated during transformation by specific oncogenes. Unlike RAS, AKT promotes rapid proliferative arrest in the absence of a hyperproliferative phase or DNA damage, indicating that inactivation of the senescence response is critical at the early stages of PI3K/AKT-driven tumourigenesis. Furthermore, our data imply that chronic activation of AKT signalling provides selective pressure for the loss of p53 function, consistent with observations that PTEN or PIK3CA mutations are significantly associated with p53 mutation in a number of human tumour types. Importantly, the demonstration that mTORC1 is an essential mediator of AKT-induced senescence raises the possibility that targeting mTORC1 in tumours with activated PI3K/AKT signalling may exert unexpected detrimental effects due to inactivation of a senescence brake on potential cancer-initiating cells.

Abstract The maintenance of gene expression patterns during metazoan development is achieved by the actions of Polycomb group (PcG) complexes. An essential modification marking silenced genes is monoubiquitination of histone H2A lysine 119 (H2AK119Ub) deposited by the E3 ubiquitin ligase activity of the non-canonical Polycomb Repressive Complex 1. The Polycomb Repressive Deubiquitinase (PR-DUB) complex cleaves monoubiquitin from histone H2A lysine 119 (H2AK119Ub) to restrict focal H2AK119Ub at Polycomb target sites and to protect active genes from aberrant silencing. BAP1 and ASXL1, subunits that form active PR-DUB, are among the most frequently mutated epigenetic factors in human cancers, underscoring their biological importance. How PR-DUB achieves specificity for H2AK119Ub to regulate Polycomb silencing is unknown, and the mechanisms of most of the mutations in BAP1 and ASXL1 found in cancer have not been established. Here we determine a cryo-EM structure of human BAP1 bound to the ASXL1 DEUBAD domain in complex with a H2AK119Ub nucleosome. Our structural, biochemical, and cellular data reveal the molecular interactions of BAP1 and ASXL1 with histones and DNA that are critical for remodeling the nucleosome and thus establishing specificity for H2AK119Ub. These results further provide a molecular explanation for how >50 mutations in BAP1 and ASXL1 found in cancer can dysregulate H2AK119Ub deubiquitination, providing new insight into understanding cancer etiology. One Sentence Summary We reveal the molecular mechanism of nucleosomal H2AK119Ub deubiquitination by human BAP1/ASXL1.

Spinal muscular atrophy (SMA) was added to the HHS Secretary’s Recommended Uniform Screening Panel for newborn screening (NBS) in 2018, enabling early diagnosis and treatment of impacted infants to prevent irreversible motor neuron damage. In anticipation of supporting SMA newborn screening, scientists at the U.S. Centers for Disease Control and Prevention (CDC) have worked towards building resources for public health laboratories in four phases since 2013. In Phase 1, CDC established a real-time PCR assay, which uses a locked nucleic acid probe to attain the needed specificity, to detect SMN1 exon 7. In Phase 2, we developed quality assurance dried blood spot materials made with transduced lymphoblast cell lines established from de-identified SMA patients, carriers, and unaffected donors. In 2021, CDC implemented Phase 3, a proficiency testing program, that now supports 115 NBS labs around the world. We are currently completing Phase 4, which includes the implementation of an external SMA quality control material program. Also, during this time, CDC has provided individual technical assistance to NBS programs and bench training to NBS scientists during our annual molecular workshop. These CDC-led activities have contributed to the rapid and full implementation of SMA screening in all 50 U.S. states as of February 2024.

The intricate regulation of chromatin plays a key role in controlling genome architecture and accessibility. Histone lysine methyltransferases regulate chromatin by catalyzing the methylation of specific histone residues but are also hypothesized to have equally important non-catalytic roles. SUV420H1 di- and tri-methylates histone H4 lysine 20 (H4K20me2/me3) and plays crucial roles in DNA replication, repair, and heterochromatin formation, and is dysregulated in several cancers. Many of these processes were linked to its catalytic activity. However, deletion and inhibition of SUV420H1 have shown distinct phenotypes suggesting the enzyme likely has uncharacterized non-catalytic activities. To characterize the catalytic and non-catalytic mechanisms SUV420H1 uses to modify chromatin, we determined cryo- EM structures of SUV420H1 complexes with nucleosomes containing histone H2A or its variant H2A.Z. Our structural, biochemical, biophysical, and cellular analyses reveal how both SUV420H1 recognizes its substrate and H2A.Z stimulates its activity, and show that SUV420H1 binding to nucleosomes causes a dramatic detachment of nucleosomal DNA from histone octamer. We hypothesize that this detachment increases DNA accessibility to large macromolecular complexes, a prerequisite for DNA replication and repair. We also show that SUV420H1 can promote chromatin condensates, another non-catalytic role that we speculate is needed for its heterochromatin functions. Together, our studies uncover and characterize the catalytic and non-catalytic mechanisms of SUV420H1, a key histone methyltransferase that plays an essential role in genomic stability.

Abstract During tumor development, promoter CpG islands (CGIs) that are normally silenced by Polycomb repressive complexes (PRCs) become DNA hypermethylated. The molecular mechanism by which de novo DNA methyltransferase(s) catalyze CpG methylation at PRC-regulated regions remains unclear. Here we report a cryo-EM structure of the DNMT3A long isoform (DNMT3A1) N-terminal region in complex with a nucleosome carrying PRC1-mediated histone H2A lysine 119 monoubiquitination (H2AK119Ub). We identify regions within the DNMT3A1 N-terminus that bind H2AK119Ub and the nucleosome acidic patch. This bidentate interaction is required for effective DNMT3A1 engagement with H2AK119Ub-modified chromatin in cells. Furthermore, aberrant redistribution of DNMT3A1 to Polycomb target genes inhibits their transcriptional activation during cell differentiation and recapitulates the cancer-associated DNA hypermethylation signature. This effect is rescued by disruption of the DNMT3A1-acidic patch interaction. Together, our analyses reveal a binding interface critical for countering promoter CGI DNA hypermethylation, a major molecular hallmark of cancer.