Tet proteins oxidize 5-methylcytosine (mC) to generate 5-hydroxymethyl (hmC), 5-formyl (fC), and 5-carboxylcytosine (caC). The exact function of these oxidative cytosine bases remains elusive. We applied quantitative mass-spectrometry-based proteomics to identify readers for mC and hmC in mouse embryonic stem cells (mESC), neuronal progenitor cells (NPC), and adult mouse brain tissue. Readers for these modifications are only partially overlapping, and some readers, such as Rfx proteins, display strong specificity. Interactions are dynamic during differentiation, as for example evidenced by the mESC-specific binding of Klf4 to mC and the NPC-specific binding of Uhrf2 to hmC, suggesting specific biological roles for mC and hmC. Oxidized derivatives of mC recruit distinct transcription regulators as well as a large number of DNA repair proteins in mouse ES cells, implicating the DNA damage response as a major player in active DNA demethylation.

Angewandte Chemie International EditionVolume 50, Issue 31 p. 7008-7012 Communication The Discovery of 5-Formylcytosine in Embryonic Stem Cell DNA† M. Sc. Toni Pfaffeneder, M. Sc. Toni Pfaffeneder CIPSM, Fakultät für Chemie und Pharmazie, Ludwig-Maximilians-Universität München, Butenandtstrasse 5–13, 81377 München (Germany) http://www.carellgroup.de These authors contributed equally to this work.Search for more papers by this authorM. Sc. Benjamin Hackner, M. Sc. Benjamin Hackner CIPSM, Fakultät für Chemie und Pharmazie, Ludwig-Maximilians-Universität München, Butenandtstrasse 5–13, 81377 München (Germany) http://www.carellgroup.de These authors contributed equally to this work.Search for more papers by this authorDr. Matthias Truß, Corresponding Author Dr. Matthias Truß [email protected] Charité Universitätsklinikum, Otto-Heubner-Centrum für Kinder- und Jugendmedizin, Klinik für Allgemeine Pädiatrie, Labor für Pädiatrische Molekularbiologie, Ziegelstrasse 5–9, 10098 Berlin (Germany) These authors contributed equally to this work. Matthias Truß, Charité Universitätsklinikum, Otto-Heubner-Centrum für Kinder- und Jugendmedizin, Klinik für Allgemeine Pädiatrie, Labor für Pädiatrische Molekularbiologie, Ziegelstrasse 5–9, 10098 Berlin (Germany) Thomas Carell, CIPSM, Fakultät für Chemie und Pharmazie, Ludwig-Maximilians-Universität München, Butenandtstrasse 5–13, 81377 München (Germany) http://www.carellgroup.deSearch for more papers by this authorDipl.-Chem. Martin Münzel, Dipl.-Chem. Martin Münzel CIPSM, Fakultät für Chemie und Pharmazie, Ludwig-Maximilians-Universität München, Butenandtstrasse 5–13, 81377 München (Germany) http://www.carellgroup.deSearch for more papers by this authorDr. Markus Müller, Dr. Markus Müller CIPSM, Fakultät für Chemie und Pharmazie, Ludwig-Maximilians-Universität München, Butenandtstrasse 5–13, 81377 München (Germany) http://www.carellgroup.deSearch for more papers by this authorDipl.-Biochem. Christian A. Deiml, Dipl.-Biochem. Christian A. Deiml CIPSM, Fakultät für Chemie und Pharmazie, Ludwig-Maximilians-Universität München, Butenandtstrasse 5–13, 81377 München (Germany) http://www.carellgroup.deSearch for more papers by this authorProf. Dr. Christian Hagemeier, Prof. Dr. Christian Hagemeier Charité Universitätsklinikum, Otto-Heubner-Centrum für Kinder- und Jugendmedizin, Klinik für Allgemeine Pädiatrie, Labor für Pädiatrische Molekularbiologie, Ziegelstrasse 5–9, 10098 Berlin (Germany)Search for more papers by this authorProf. Dr. Thomas Carell, Corresponding Author Prof. Dr. Thomas Carell [email protected] CIPSM, Fakultät für Chemie und Pharmazie, Ludwig-Maximilians-Universität München, Butenandtstrasse 5–13, 81377 München (Germany) http://www.carellgroup.de Matthias Truß, Charité Universitätsklinikum, Otto-Heubner-Centrum für Kinder- und Jugendmedizin, Klinik für Allgemeine Pädiatrie, Labor für Pädiatrische Molekularbiologie, Ziegelstrasse 5–9, 10098 Berlin (Germany) Thomas Carell, CIPSM, Fakultät für Chemie und Pharmazie, Ludwig-Maximilians-Universität München, Butenandtstrasse 5–13, 81377 München (Germany) http://www.carellgroup.deSearch for more papers by this author M. Sc. Toni Pfaffeneder, M. Sc. Toni Pfaffeneder CIPSM, Fakultät für Chemie und Pharmazie, Ludwig-Maximilians-Universität München, Butenandtstrasse 5–13, 81377 München (Germany) http://www.carellgroup.de These authors contributed equally to this work.Search for more papers by this authorM. Sc. Benjamin Hackner, M. Sc. Benjamin Hackner CIPSM, Fakultät für Chemie und Pharmazie, Ludwig-Maximilians-Universität München, Butenandtstrasse 5–13, 81377 München (Germany) http://www.carellgroup.de These authors contributed equally to this work.Search for more papers by this authorDr. Matthias Truß, Corresponding Author Dr. Matthias Truß [email protected] Charité Universitätsklinikum, Otto-Heubner-Centrum für Kinder- und Jugendmedizin, Klinik für Allgemeine Pädiatrie, Labor für Pädiatrische Molekularbiologie, Ziegelstrasse 5–9, 10098 Berlin (Germany) These authors contributed equally to this work. Matthias Truß, Charité Universitätsklinikum, Otto-Heubner-Centrum für Kinder- und Jugendmedizin, Klinik für Allgemeine Pädiatrie, Labor für Pädiatrische Molekularbiologie, Ziegelstrasse 5–9, 10098 Berlin (Germany) Thomas Carell, CIPSM, Fakultät für Chemie und Pharmazie, Ludwig-Maximilians-Universität München, Butenandtstrasse 5–13, 81377 München (Germany) http://www.carellgroup.deSearch for more papers by this authorDipl.-Chem. Martin Münzel, Dipl.-Chem. Martin Münzel CIPSM, Fakultät für Chemie und Pharmazie, Ludwig-Maximilians-Universität München, Butenandtstrasse 5–13, 81377 München (Germany) http://www.carellgroup.deSearch for more papers by this authorDr. Markus Müller, Dr. Markus Müller CIPSM, Fakultät für Chemie und Pharmazie, Ludwig-Maximilians-Universität München, Butenandtstrasse 5–13, 81377 München (Germany) http://www.carellgroup.deSearch for more papers by this authorDipl.-Biochem. Christian A. Deiml, Dipl.-Biochem. Christian A. Deiml CIPSM, Fakultät für Chemie und Pharmazie, Ludwig-Maximilians-Universität München, Butenandtstrasse 5–13, 81377 München (Germany) http://www.carellgroup.deSearch for more papers by this authorProf. Dr. Christian Hagemeier, Prof. Dr. Christian Hagemeier Charité Universitätsklinikum, Otto-Heubner-Centrum für Kinder- und Jugendmedizin, Klinik für Allgemeine Pädiatrie, Labor für Pädiatrische Molekularbiologie, Ziegelstrasse 5–9, 10098 Berlin (Germany)Search for more papers by this authorProf. Dr. Thomas Carell, Corresponding Author Prof. Dr. Thomas Carell [email protected] CIPSM, Fakultät für Chemie und Pharmazie, Ludwig-Maximilians-Universität München, Butenandtstrasse 5–13, 81377 München (Germany) http://www.carellgroup.de Matthias Truß, Charité Universitätsklinikum, Otto-Heubner-Centrum für Kinder- und Jugendmedizin, Klinik für Allgemeine Pädiatrie, Labor für Pädiatrische Molekularbiologie, Ziegelstrasse 5–9, 10098 Berlin (Germany) Thomas Carell, CIPSM, Fakultät für Chemie und Pharmazie, Ludwig-Maximilians-Universität München, Butenandtstrasse 5–13, 81377 München (Germany) http://www.carellgroup.deSearch for more papers by this author First published: 30 June 2011 https://doi.org/10.1002/anie.201103899Citations: 414 † We thank the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) for financial support through the SFB program (SFB 749, 646, and TRR54) and by grant CA275 8/4. Further support was obtained from the Excellence Cluster (Center for Integrative Protein Science, CiPSM) and NGFNplus (01GS0870). Read the full textAboutPDF ToolsRequest permissionExport citationAdd to favoritesTrack citation ShareShare Give accessShare full text accessShare full-text accessPlease review our Terms and Conditions of Use and check box below to share full-text version of article.I have read and accept the Wiley Online Library Terms and Conditions of UseShareable LinkUse the link below to share a full-text version of this article with your friends and colleagues. Learn more.Copy URL Share a linkShare onEmailFacebookTwitterLinkedInRedditWechat Graphical Abstract Touching base: Sophisticated mass spectrometry has shown that 5-formylcytosine is a constituent of mammalian embryonic stem cell DNA. This base is likely produced from methylcytosine via hydroxymethylcytosine (see scheme), and it may serve as an intermediate in the long searched for pathway of active DNA demethylation. Supporting Information Detailed facts of importance to specialist readers are published as ”Supporting Information”. Such documents are peer-reviewed, but not copy-edited or typeset. They are made available as submitted by the authors. Filename Description anie_201103899_sm_miscellaneous_information.pdf916.1 KB miscellaneous_information Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article. References 1 1aR. Bonasio, S. J. Tu, D. Reinberg, Science 2010, 330, 612–616; 10.1126/science.1191078 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 1bP. A. Jones, D. Takai, Science 2001, 293, 1068–1070; 10.1126/science.1063852 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 1cJ. A. Law, S. E. Jacobsen, Nat. Rev. Genet. 2010, 11, 204–220. 10.1038/nrg2719 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 2 2aK. Iqbal, S. G. Jin, G. P. Pfeifer, P. E. Szabo, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2011, 108, 3642–3647; 10.1073/pnas.1014033108 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 2bM. Wossidlo, T. Nakamura, K. Lepikhov, C. J. Marques, V. Zakhartchenko, M. Boiani, J. Arand, T. Nakano, W. Reik, J. Walter, Nat. Commun. 2011, 2, 241; 10.1038/ncomms1240 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 2cP. Hajkova, S. Erhardt, N. Lane, T. Haaf, O. El-Maarri, W. Reik, J. Walter, M. A. Surani, Mech. Dev. 2002, 117, 15–23. 10.1016/S0925-4773(02)00181-8 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 3P. Hajkova, S. J. Jeffries, C. Lee, N. Miller, S. P. Jackson, M. A. Surani, Science 2010, 329, 78–82. 10.1126/science.1187945 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 4 4aC. A. Miller, J. D. Sweatt, Neuron 2007, 53, 857–869; 10.1016/j.neuron.2007.02.022 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 4bJ. J. Day, J. D. Sweatt, Nat. Neurosci. 2010, 13, 1319–1323. 10.1038/nn.2666 CASPubMedGoogle Scholar 5 5aS. C. Wu, Y. Zhang, Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2010, 11, 607–620; 10.1038/nrm2950 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 5bJ.-K. Zhu, Annu. Rev. Genet. 2009, 43, 143–166. 10.1146/annurev-genet-102108-134205 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 6 6aS. Kriaucionis, N. Heintz, Science 2009, 324, 929–930; 10.1126/science.1169786 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 6bM. Tahiliani, K. P. Koh, Y. Shen, W. A. Pastor, H. Bandukwala, Y. Brudno, S. Agarwal, L M. Iyer, D. R. Liu, L. Aravind, A. Rao, Science 2009, 324, 930–935; 10.1126/science.1170116 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 6cM. Münzel, D. Globisch, T. Carell, Angew. Chem. Int. Ed. 2011, DOI: . Google Scholar 7 7aG. Ficz, M. R. Branco, S. Seisenberger, F. Santos, F. Krueger, T. A. Hore, C. J. Marques, S. Andrews, W. Reik, Nature 2011, 473, 398–402; 10.1038/nature10008 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 7bS. Ito, A. C. D’Alessio, O. V. Taranova, K. Hong, L. C. Sowers, Y. Zhang, Nature 2010, 466, 1129–1133; 10.1038/nature09303 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 7cW. A. Pastor, et al., Nature 2011, 473, 394–397; 10.1038/nature10102 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 7dK. Williams, J. Christensen, M. T. Pedersen, J. V. Johansen, P. A. Cloos, J. Rappsilber, K. Helin, Nature 2011, 473, 343–348; 10.1038/nature10066 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 7eH. Wu, A. C. D’Alessio, S. Ito, K. Xia, Z. Wang, K. Cui, K. Zhao, Y. Eve Sun, Y. Zhang, Nature 2011, 473, 389–393; 10.1038/nature09934 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 7fK. P. Koh, et al., Cell Stem Cell 2011, 8, 200–213; 10.1016/j.stem.2011.01.008 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 7gJ. Walter, Cell Stem Cell 2011, 8, 121–122; 10.1016/j.stem.2011.01.009 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 7hY. Xu, F. Wu, L. Tan, L. Kong, L. Xiong, J. Deng, A. J. Barbera, I. Zheng, H. Zhang, S. Huang, J. Min, T. Nicholson, T. Chen, G. Xu, Y. Shi, K. Zhang, Y. G. Shi, Mol. Cell 2011, 42, 451–461. 10.1016/j.molcel.2011.04.005 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 8 8aS. H. Feng, S. E. Jacobsen, W. Reik, Science 2010, 330, 622–627; 10.1126/science.1190614 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 8bW. Reik, W. Dean, J. Walter, Science 2001, 293, 1089–1093. 10.1126/science.1063443 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 9J. U. Guo, Y. Su, C. Zhong, G.-l. Ming, H. Song, Cell 2011, 145, 423–434. 10.1016/j.cell.2011.03.022 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 10 10aD. Globisch, M. Münzel, M. Müller, S. Michalakis, M. Wagner, S. Koch, T. Brückl, M. Biel, T. Carell, PLoS One 2010, 5, e 15367; 10.1371/journal.pone.0015367 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 10bC. Loenarz, C. J. Schofield, Chem. Biol. 2009, 16, 580–583. 10.1016/j.chembiol.2009.06.002 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 11T. L. Arnyes, B. M. Wood, K. Chan, J. A. Gerlt, J. P. Richard, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 1574–1575. 10.1021/ja710384t CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 12 12aM. Münzel, D. Globisch, T. Brückl, M. Wagner, V. Welzmiller, S. Michalakis, M. Müller, M. Biel, T. Carell, Angew. Chem. 2010, 122, 5503–5505; 10.1002/ange.201002033 Google ScholarAngew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 5375–5377; 10.1002/anie.201002033 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 12bT. Le, K.-P. Kim, G. Fan, K. F. Faull, Anal. Biochem. 2011, 412, 203–209; 10.1016/j.ab.2011.01.026 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 12cM. Münzel, D. Globisch, C. Trindler, T. Carell, Org. Lett. 2010, 12, 5671–5673. 10.1021/ol102408t CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 13H. Cao, Y. Wang, J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2006, 17, 1335–1341. 10.1016/j.jasms.2006.05.019 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 14A. Szwagierczak, S. Bultmann, C. S. Schmidt, F. Spada, H. Leonhardt, Nucleic Acids Res. 2010, 38, e 181. 10.1093/nar/gkq684 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 15 15aC.-K. Liu, C.-A. Hsu, M. T. Abbott, Arch. Biochem. Biophys. 1973, 159, 180–187; for reviews about T7H enzymes, see 10.1016/0003-9861(73)90443-8 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 15bJ. M. Simmons, T. A. Muller, R. P. Hausinger, Dalton Trans. 2008, 5132–5142; 10.1039/b803512a CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 15cJ. M. Simmons, D. J. Koslowsky, R. P. Hausinger, Exp. Parasitol. 2010, 124, 453–458. 10.1016/j.exppara.2009.11.012 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 16C.-X. Song, K. E. Szulwach, Y. Fu, Q. Dai, C. Yi, X. Li, Y. Li, C.-H. Chen, W. Zhang, X. Jian, J. Wang, L. Zhang, T. J. Looney, B. Zhang, L. A. Godley, L. M. Hicks, B. T. Lahn, P. Jin, C. He, Nat. Biotechnol. 2011, 29, 68–72. 10.1038/nbt.1732 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 17S.-G. Jin, S. Kadam, G. P. Pfeifer, Nucleic Acids Res. 2010, 38, e 125. 10.1093/nar/gkq223 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 18 18aL. M. Hough, F. L. Oswald, Annu. Rev. Psychol. 2000, 51, 631–664; 10.1146/annurev.psych.51.1.631 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 18bV. Raindlová, R. Pohl, M. Sanda, M. Hocek, Angew. Chem. 2010, 122, 1082–1084; 10.1002/ange.200905556 Google ScholarAngew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 1064–1066. 10.1002/anie.200905556 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 19 19aJ. Nakamura, V. E. Walker, P. B. Upton, S.-Y. Chiang, Y. W. Kow, J. A. Swenberg, Cancer Res. 1998, 58, 222–225; CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 19bK. Kubo, H. Ide, S. S. Wallace, Y. W. Kow, Biochemistry 1992, 31, 3703–3708. 10.1021/bi00129a020 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 20A. Dirksen, T. M. Hackeng, P. E. Dawson, Angew. Chem. 2006, 118, 7743–7746; 10.1002/ange.200602877 Google ScholarAngew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 7581–7584. 10.1002/anie.200602877 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 21 21aN. Karino, Y. Ueno, A. Matsuda, Nucleic Acids Res. 2001, 29, 2456–2463; 10.1093/nar/29.12.2456 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar 21bQ. Dai, C. He, Org. Lett. 2011, DOI: . Google Scholar Citing Literature Volume50, Issue31July 25, 2011Pages 7008-7012 ReferencesRelatedInformation