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Dissecting the epigenetic regulation of the placental methylome

Weigert, Raha

In embryonic stem and somatic cells, DNA methylation is distributed in an all-or-none fashion: the majority of CpGs across the genome are uniformly methylated, while CGIs generally remain unmethylated. Polycomb Repressive Complex 2 mediated methylation of Histone-3 Lysine 27 (H3K27me1/2/3) is primarily constrained to CGI-containing developmental gene promoters. Thus, DNA and H3K27 methylation usually function within distinct genomic compartments. In contrast, cells of the placental lineage exhibit a distinct methylome characterized by an intermediate methylation landscape, including at the majority of canonical Polycomb targets. This striking methylation profile is not only found in the placenta, but is a recognized hallmark across cancer types. Due to the lack of appropriate cancer models, the mechanisms underlying intermediate methylation levels are poorly understood. The rarity of the placental methylome and its intriguing similarity with cancer cells has motivated us to dissect its underlying molecular principles. We used murine placental precursors - TSCs - as an in vitro platform for genetic and chemical perturbations of epigenetic pathways. We find that intermediate methylation persists within TSCs and is maintained via continuous, dynamic de novo methyltransferase recruitment, which is counteracted by Polycomb to preserve global intermediate methylation levels. Our data reveal a novel, highly-regulated global convergence of DNA methyltransferase and Polycomb that act antagonistically to ensure locally disordered methylation levels. We find this non-canonical configuration to be highly elastic, as the intermediate methylation landscape can be drawn to high or low global values without losing the ability to recover to steady state levels. Beyond the insights gained into the epigenetic regulation of the placental methylome, we expect some of these molecular rules and principles to be conserved and applicable to other contexts, including intermediate DNA methylation in cancer.
In embryonalen Stamm- und somatischen Zellen ist die DNA-Methylierung im Alles-oder-Nichts-Prinzip verteilt: Die Mehrheit der CpGs im Genom ist methyliert, während CpG-Inseln (CGIs) generell unmethyliert bleiben. Polycomb-Repressionskomplex 2 vermittelt die Methylierung von Histon-3 Lysin 27 (H3K27me1/2/3) hauptsächlich an CGI-reichen Entwicklungsgenpromotoren. Daher befinden sich DNA und H3K27-Methylierung normalerweise in verschiedenen genomischen Kompartimenten. Im Gegensatz dazu, weisen Plazentazellen ein anderes Methylom auf, das durch eine intermediäre Methylierungslandschaft charakterisiert ist, einschließlich an den meisten kanonischen Polycomb-Zielen. Dieses ungewöhnliche Methylierungsprofil findet sich nicht nur in der Plazenta, sondern ist ein anerkanntes Krebsmerkmal. Wegen des Mangels an geeigneten Krebsmodellen sind die Mechanismen, die dem intermediären Methylierungsniveau zugrunde liegen, nur unzureichend verstanden. Die Seltenheit des Plazentamethyloms und seine verblüffende Ähnlichkeit mit Krebszellen hat uns dazu motiviert, die zugrunde liegenden molekularen Grundlagen zu erforschen. Dazu haben wir Plazentavorläuferzellen der Maus - Trophoblast-Stammzellen (TSC) - als in vitro-Plattform für genetische und chemische Perturbationen verwendet. Wir haben festgestellt, dass die intermediäre Methylierung in TSCs fortbesteht und durch kontinuierliche, dynamische Rekrutierung von de novo Methyltransferasen aufrechterhalten und von Polycomb entgegengewirkt wird, um die global intermediäre Methylierung aufrechtzuerhalten. Unsere Daten zeigen eine neuartige, hochregulierte Konvergenz zwischen DNA-Methyltransferasen und Polycomb, welche antagonistisch wirken. Diese nicht-kanonische Konfiguration ist elastisch und kann auf hohe sowie niedrige Werte gezogen werden, ohne die Fähigkeit zu verlieren, sich zu regenerieren. Neben den gewonnenen Erkenntnissen über die epigenomische Regulierung des Plazentamethyloms, erwarten wir, dass einige dieser molekularen Regeln und Prinzipien konserviert und auf andere Kontexte übertragbar sind, einschließlich der intermediären DNA Methylierung bei Krebs.