Abstract

 The establishment of DNA methylation patterns requires de novo methylation that occurs predominantly during early development and gametogenesis in mice. Here we demonstrate that two recently identified DNA methyltransferases, Dnmt3a and Dnmt3b, are essential for de novo methylation and for mouse development. Inactivation of both genes by gene targeting blocks de novo methylation in ES cells and early embryos, but it has no effect on maintenance of imprinted methylation patterns. Dnmt3a and Dnmt3b also exhibit nonoverlapping functions in development, with Dnmt3b specifically required for methylation of centromeric minor satellite repeats. Mutations of human DNMT3B are found in ICF syndrome, a developmental defect characterized by hypomethylation of pericentromeric repeats. Our results indicate that both Dnmt3a and Dnmt3b function as de novo methyltransferases that play important roles in normal development and disease.

Histone methylation regulates chromatin structure, transcription, and epigenetic state of the cell. Histone methylation is dynamically regulated by histone methylases and demethylases such as LSD1 and JHDM1, which mediate demethylation of di- and monomethylated histones. It has been unclear whether demethylases exist that reverse lysine trimethylation. We show the JmjC domain-containing protein JMJD2A reversed trimethylated H3-K9/K36 to di- but not mono- or unmethylated products. Overexpression of JMJD2A but not a catalytically inactive mutant reduced H3-K9/K36 trimethylation levels in cultured cells. In contrast, RNAi depletion of the C. elegans JMJD2A homolog resulted in an increase in general H3-K9Me3 and localized H3-K36Me3 levels on meiotic chromosomes and triggered p53-dependent germline apoptosis. Additionally, other human JMJD2 subfamily members also functioned as trimethylation-specific demethylases, converting H3-K9Me3 to H3-K9Me2 and H3-K9Me1, respectively. Our finding that this family of demethylases generates different methylated states at the same lysine residue provides a mechanism for fine-tuning histone methylation.

The transcriptional coactivator and integrator p300 and its closely related family member CBP mediate multiple, signal-dependent transcriptional events. We have generated mice lacking a functional p300 gene. Animals nullizygous for p300 died between days 9 and 11.5 of gestation, exhibiting defects in neurulation, cell proliferation, and heart development. Cells derived from p300-deficient embryos displayed specific transcriptional defects and proliferated poorly. Surprisingly, p300 heterozygotes also manifested considerable embryonic lethality. Moreover, double heterozygosity for p300 and cbp was invariably associated with embryonic death. Thus, mouse development is exquisitely sensitive to the overall gene dosage of p300 and cbp. Our results provide genetic evidence that a coactivator endowed with histone acetyltransferase activity is essential for mammalian cell proliferation and development.

In dividing cells, the epigenetic mechanism of DNA methylation is catalyzed by enzymes that maintain DNA methylation or act as a de novo methyltransferase. In this study, the authors find that DNA methyltransferases Dnmt1 and 3a have an active role in the maintenance of DNA methylation in postmitotic excitatory neurons. Results indicate that there is a redundancy between the two enzymes in neurons and that DNA methylation is essential for normal synaptic plasticity and memory formation. Dnmt1 and Dnmt3a are important DNA methyltransferases that are expressed in postmitotic neurons, but their function in the CNS is unclear. We generated conditional mutant mice that lack Dnmt1, Dnmt3a or both exclusively in forebrain excitatory neurons and found that only double knockout (DKO) mice showed abnormal long-term plasticity in the hippocampal CA1 region together with deficits in learning and memory. Although we found no neuronal loss, hippocampal neurons in DKO mice were smaller than in the wild type; furthermore, DKO neurons showed deregulated expression of genes, including the class I MHC genes and Stat1, that are known to contribute to synaptic plasticity. In addition, we observed a significant decrease in DNA methylation in DKO neurons. We conclude that Dnmt1 and Dnmt3a are required for synaptic plasticity, learning and memory through their overlapping roles in maintaining DNA methylation and modulating neuronal gene expression in adult CNS neurons.

ABSTRACT It has been a controversial issue as to how many DNA cytosine methyltransferase mammalian cells have and whether de novo methylation and maintenance methylation activities are encoded by a single gene or two different genes. To address these questions, we have generated a null mutation of the only known mammalian DNA methyl-transferase gene through homologous recombination in mouse embryonic stem cells and found that the development of the homozygous embryos is arrested prior to the 8-somite stage. Surprisingly, the null mutant embryonic stem cells are viable and contain low but stable levels of methyl cytosine and methyltransferase activity, suggesting the existence of a second DNA methyltransferase in mammalian cells. Further studies indicate that de novo methylation activity is not impaired by the mutation as integrated provirus DNA in MoMuLV-infected homozygous embryonic stem cells become methylated at a similar rate as in wild-type cells. Differentiation of mutant cells results in further reduction of methyl cytosine levels, consistent with the de novo methylation activity being down regulated in differentiated cells. These results provide the first evidence that an independently encoded DNA methyl-transferase is present in mammalian cells which is capable of de novo methylating cellular and viral DNA in vivo.

We have previously shown that the DNA methyltransferases Dnmt3a and Dnmt3b carry out de novo methylation of the mouse genome during early postimplantation development and of maternally imprinted genes in the oocyte.In the present study, we demonstrate that Dnmt3a and Dnmt3b are also essential for the stable inheritance, or "maintenance," of DNA methylation patterns.Inactivation of both Dnmt3a and Dnmt3b in embryonic stem (ES) cells results in progressive loss of methylation in various repeats and single-copy genes.Interestingly, introduction of the Dnmt3a, Dnmt3a2, and Dnmt3b1 isoforms back into highly demethylated mutant ES cells restores genomic methylation patterns; these isoforms appear to have both common and distinct DNA targets, but they all fail to restore the maternal methylation imprints.In contrast, overexpression of Dnmt1 and Dnmt3b3 failed to restore DNA methylation patterns due to their inability to catalyze de novo methylation in vivo.We also show that hypermethylation of genomic DNA by Dnmt3a and Dnmt3b is necessary for ES cells to form teratomas in nude mice.These results indicate that genomic methylation patterns are determined partly through differential expression of different Dnmt3a and Dnmt3b isoforms.

Location, Location, Location The genome receives epigenetic marks throughout development that regulate the activity of multiple genes. One such mark is methylation, which usually represses gene transcription. Methylation has generally been studied in the promoters of genes, where many regulatory signals coordinate to control the expression of the gene. Studying neural stem cells from mice, Wu et al. (p. 444 ) now show that DNA methylation can be a double-edged sword. Although methylation of DNA sequences in promoters tends to be repressive, methylation of DNA sequences beyond the promoters can actually promote gene expression. Analysis of the methyltransferase Dnmt3a in mouse neural stem cells revealed that methylations around neurogenic genes—but outside their promoters—maintained the activity of these genes.

We used mouse embryonic stem (ES) cells with systematic gene knockouts for DNA methyltransferases to delineate the roles of DNA methyltransferase 1 (Dnmt1) and Dnmt3a and -3b in maintaining methylation patterns in the mouse genome. Dnmt1 alone was able to maintain methylation of most CpG-poor regions analyzed. In contrast, both Dnmt1 and Dnmt3a and/or Dnmt3b were required for methylation of a select class of sequences which included abundant murine LINE-1 promoters. We used a novel hemimethylation assay to show that even in wild-type cells these sequences contain high levels of hemimethylated DNA, suggestive of poor maintenance methylation. We showed that Dnmt3a and/or -3b could restore methylation of these sequences to pretreatment levels following transient exposure of cells to 5-aza-CdR, whereas Dnmt1 by itself could not. We conclude that ongoing de novo methylation by Dnmt3a and/or Dnmt3b compensates for inefficient maintenance methylation by Dnmt1 of these endogenous repetitive sequences. Our results reveal a previously unrecognized degree of cooperativity among mammalian DNA methyltransferases in ES cells.