In conjunction with histone modifications, DNA methylation plays critical roles in gene silencing through chromatin remodeling. Changes in DNA methylation perturb neuronal function, and mutations in a methyl-CpG–binding protein, MeCP2, are associated with Rett syndrome. We report that increased synthesis of brain-derived neurotrophic factor (BDNF) in neurons after depolarization correlates with a decrease in CpG methylation within the regulatory region of the Bdnf gene. Moreover, increased Bdnf transcription involves dissociation of the MeCP2–histone deacetylase–mSin3A repression complex from its promoter. Our findings suggest that DNA methylation–related chromatin remodeling is important for activity-dependent gene regulation that may be critical for neural plasticity.

A mechanism by which members of the ciliary neurotrophic factor (CNTF)–leukemia inhibitory factor cytokine family regulate gliogenesis in the developing mammalian central nervous system was characterized. Activation of the CNTF receptor promoted differentiation of cerebral cortical precursor cells into astrocytes and inhibited differentiation of cortical precursors along a neuronal lineage. Although CNTF stimulated both the Janus kinase–signal transducer and activator of transcription (JAK-STAT) and Ras–mitogen-activated protein kinase signaling pathways in cortical precursor cells, the JAK-STAT signaling pathway selectively enhanced differentiation of these precursors along a glial lineage. These findings suggest that cytokine activation of the JAK-STAT signaling pathway may be a mechanism by which cell fate is controlled during mammalian development.

Single-cell RNA sequencing and weighted gene co-expression network analysis are used to study transcriptome change in pre-implantation embryos and oocytes; this reveals a conserved genetic program between human and mouse but with different developmental specificity and timing, and conserved hub genes that may be key in pre-implantation development. This study of early embryonic development uses single-cell RNA sequencing and weighted gene co-expression network analysis (WGCNA) to obtain a detailed gene expression profile of human and mouse pre-implantation embryos and oocytes. The authors identify a small number of key functional modules that shape a sequential order of transcriptional changes in various pathways. They also found key hub genes that are conserved between human and mouse networks and argue that these genes may be key players in driving mammalian pre-implantation. Mammalian pre-implantation development is a complex process involving dramatic changes in the transcriptional architecture1,2,3,4. We report here a comprehensive analysis of transcriptome dynamics from oocyte to morula in both human and mouse embryos, using single-cell RNA sequencing. Based on single-nucleotide variants in human blastomere messenger RNAs and paternal-specific single-nucleotide polymorphisms, we identify novel stage-specific monoallelic expression patterns for a significant portion of polymorphic gene transcripts (25 to 53%). By weighted gene co-expression network analysis5,6, we find that each developmental stage can be delineated concisely by a small number of functional modules of co-expressed genes. This result indicates a sequential order of transcriptional changes in pathways of cell cycle, gene regulation, translation and metabolism, acting in a step-wise fashion from cleavage to morula. Cross-species comparisons with mouse pre-implantation embryos reveal that the majority of human stage-specific modules (7 out of 9) are notably preserved, but developmental specificity and timing differ between human and mouse. Furthermore, we identify conserved key members (or hub genes) of the human and mouse networks. These genes represent novel candidates that are likely to be key in driving mammalian pre-implantation development. Together, the results provide a valuable resource to dissect gene regulatory mechanisms underlying progressive development of early mammalian embryos.

The mechanisms by which neural stem cells give rise to neurons, astrocytes, or oligodendrocytes are beginning to be elucidated. However, it is not known how the specification of one cell lineage results in the suppression of alternative fates. We find that in addition to inducing neurogenesis, the bHLH transcription factor neurogenin (Ngn1) inhibits the differentiation of neural stem cells into astrocytes. While Ngn1 promotes neurogenesis by functioning as a transcriptional activator, Ngn1 inhibits astrocyte differentiation by sequestering the CBP-Smad1 transcription complex away from astrocyte differentiation genes, and by inhibiting the activation of STAT transcription factors that are necessary for gliogenesis. Thus, two distinct mechanisms are involved in the activation and suppression of gene expression during cell-fate specification by neurogenin.

Brain-derived neurotrophic factor (BDNF), a cognate ligand for the tyrosine kinase receptor B (TrkB) receptor, mediates neuronal survival, differentiation, synaptic plasticity, and neurogenesis. However, BDNF has a poor pharmacokinetic profile that limits its therapeutic potential. Here we report the identification of 7,8-dihydroxyflavone as a bioactive high-affinity TrkB agonist that provokes receptor dimerization and autophosphorylation and activation of downstream signaling. 7,8-Dihydroxyflavone protected wild-type, but not TrkB-deficient, neurons from apoptosis. Administration of 7,8-dihydroxyflavone to mice activated TrkB in the brain, inhibited kainic acid-induced toxicity, decreased infarct volumes in stroke in a TrkB-dependent manner, and was neuroprotective in an animal model of Parkinson disease. Thus, 7,8-dihydroxyflavone imitates BDNF and acts as a robust TrkB agonist, providing a powerful therapeutic tool for the treatment of various neurological diseases.

The modified DNA base 5-hydroxymethylcytosine (5hmC), sometimes called the sixth base, is present in the mammalian genome where it is generated by oxidation of 5-methylcytosine (5mC; the fifth base) by enzymes of the Tet family. Four papers in this issue, from the Helin, Zhang, Rao and Reik laboratories, respectively, report on the genome-wide distribution of Tet1 and/or 5hmC in mouse embryonic stem cells using the ChIP-seq technique. Links between Tet1 and transcription regulation — both activation and repression — are revealed. Anjana Rao and colleagues also describe two alternative methods with increased sensitivity for mapping single 5hmC bases. In the associated News & Views, Nathalie Véron and Antoine H. F. M. Peters discuss what these and other recent papers reveal about the role of Tet proteins in regulating DNA methylation and gene expression. Epigenetic modification of the mammalian genome by DNA methylation (5-methylcytosine) has a profound impact on chromatin structure, gene expression and maintenance of cellular identity1. The recent demonstration that members of the Ten-eleven translocation (Tet) family of proteins can convert 5-methylcytosine to 5-hydroxymethylcytosine raised the possibility that Tet proteins are capable of establishing a distinct epigenetic state2,3. We have recently demonstrated that Tet1 is specifically expressed in murine embryonic stem (ES) cells and is required for ES cell maintenance2. Using chromatin immunoprecipitation coupled with high-throughput DNA sequencing, here we show in mouse ES cells that Tet1 is preferentially bound to CpG-rich sequences at promoters of both transcriptionally active and Polycomb-repressed genes. Despite an increase in levels of DNA methylation at many Tet1-binding sites, Tet1 depletion does not lead to downregulation of all the Tet1 targets. Interestingly, although Tet1-mediated promoter hypomethylation is required for maintaining the expression of a group of transcriptionally active genes, it is also involved in repression of Polycomb-targeted developmental regulators. Tet1 contributes to silencing of this group of genes by facilitating recruitment of PRC2 to CpG-rich gene promoters. Thus, our study not only establishes a role for Tet1 in modulating DNA methylation levels at CpG-rich promoters, but also reveals a dual function of Tet1 in promoting transcription of pluripotency factors as well as participating in the repression of Polycomb-targeted developmental regulators.

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.

Extinction of conditioned fear is an important model both of inhibitory learning and of behavior therapy for human anxiety disorders. Like other forms of learning, extinction learning is long-lasting and depends on regulated gene expression. Epigenetic mechanisms make an important contribution to persistent changes in gene expression; therefore, in these studies, we have investigated whether epigenetic regulation of gene expression contributes to fear extinction. Since brain-derived neurotrophic factor (BDNF) is crucial for synaptic plasticity and for the maintenance of long-term memory, we examined histone modifications around two BDNF gene promoters after extinction of cued fear, as potential targets of learning-induced epigenetic regulation of gene expression. Valproic acid (VPA), used for some time as an anticonvulsant and a mood stabilizer, modulates the expression of BDNF, and is a histone deacetylase (HDAC) inhibitor. Here, we report that extinction of conditioned fear is accompanied by a significant increase in histone H4 acetylation around the BDNF P4 gene promoter and increases in BDNF exon I and IV mRNA expression in prefrontal cortex, that VPA enhances long-term memory for extinction because of its HDAC inhibitor effects, and that VPA potentiates the effect of weak extinction training on histone H4 acetylation around both the BDNF P1 and P4 gene promoters and on BDNF exon IV mRNA expression. These results suggest a relationship between histone H4 modification, epigenetic regulation of BDNF gene expression, and long-term memory for extinction of conditioned fear. In addition, they suggest that HDAC inhibitors may become a useful pharmacological adjunct to psychotherapy for human anxiety disorders.

Recent studies have demonstrated that the Ten-eleven translocation (Tet) family proteins can enzymatically convert 5-methylcytosine (5mC) to 5-hydroxymethylcytosine (5hmC). While 5mC has been studied extensively, little is known about the distribution and function of 5hmC. Here we present a genome-wide profile of 5hmC in mouse embryonic stem (ES) cells. A combined analysis of global 5hmC distribution and gene expression profile in wild-type and Tet1-depleted ES cells suggests that 5hmC is enriched at both gene bodies of actively transcribed genes and extended promoter regions of Polycomb-repressed developmental regulators. Thus, our study reveals the first genome-wide 5hmC distribution in pluripotent stem cells, and supports its dual function in regulating gene expression.

DNA methylation is a major epigenetic factor that has been postulated to regulate cell lineage differentiation. We report here that conditional gene deletion of the maintenance DNA methyltransferase I (Dnmt1) in neural progenitor cells (NPCs) results in DNA hypomethylation and precocious astroglial differentiation. The developmentally regulated demethylation of astrocyte marker genes as well as genes encoding the crucial components of the gliogenic JAK-STAT pathway is accelerated in Dnmt1–/– NPCs. Through a chromatin remodeling process, demethylation of genes in the JAK-STAT pathway leads to an enhanced activation of STATs, which in turn triggers astrocyte differentiation. Our study suggests that during the neurogenic period, DNA methylation inhibits not only astroglial marker genes but also genes that are essential for JAK-STAT signaling. Thus, demethylation of these two groups of genes and subsequent elevation of STAT activity are key mechanisms that control the timing and magnitude of astroglial differentiation.