The role of Dnmts and Tets in shaping the DNA methylation landscape of mouse embryonic stem cells

Abstract

DNA methylation is an important epigenetic mark, which is set and maintained by DNA methyltransferases (Dnmts) and removed via passive or active mechanisms involving Ten eleven translocation enzyme (Tet) mediated oxidation. Stable cell type specific methylation patterns can only be achieved if methylation and demethylation events are in balance. Yet, the genome wide regulation of Dnmt and Tet activity is still not fully understood. The present studies use novel hairpin sequencing techniques coupled with oxidative bisul te sequencing, which permits the simultaneous and strand speci c detection of 5- methylcytosine and 5-hydroxymethylcytosine. Application of HMM models then facilitates the estimation of enzyme efficiencies for Dnmts and Tets. Furthermore, spatial modelling of hairpin bisulfite data allows the investigation of how Dnmts interpret preexisting methylation patterns. Taken together, the results of the presented studies show that methylation and hydroxylation are antagonistic, but not mutual exclusive events. In this context, the data shows that Tet efficiency is highest at open and accessible chromatin. Furthermore, the absence of Tets leads to a considerable misregulation of Dnmts, resulting in an increase in both maintenance and de novo methylation efficiency. Lastly, the spatial analysis of methylation patterns reveals that the de novo methyltransferases Dnmt3a and 3b depend in their activity on pre-existing neighbouring CpG methylation.

DNA Methylierung is eine epigenetische Modifikation, welche durch DNA Methyltransferasen (Dnmts) gesetzt und beibehalten wird. Entfernt wird DNA Methylierung durch aktive oder passive Mechanismen welche die Oxidation von DNA Methylierung durch Ten- Eleven Translocation Enzyme (Tets) involviert. Stabile, Zelltyp-spezifische Methylierungsmuster können nur erreicht werden, wenn Methylierungs- und Demethylierungsvorgänge im Gleichgewicht sind. Dennoch ist die genomweite Regulation von Dnmts und Tets nicht vollständig geklärt. Die hier gezeigten Studien verwenden neue Hairpin-Sequenzierungs-Verfahren, gekoppelt mit oxidativer Bisulfit-Sequenzierung, was eine simultane und strangspezifische Analyse von 5-Methylcytosin und 5-Hydroxymethylcytosin erlaubt. Die Anwendung von hid- den Markov Modellen erlaubt im Anschluss die Berechnung von Enzymeeffizienzen für Dnmts und Tets. Darüber hinaus erlaubt eine räumliche Modellierung von Methylierungsmustern die Untersuchung, wie Dnmts bereits bestehende Methylierung interpretieren. Die Ergebnisse zeigen, dass Methylierung und Hydroxylierung antagonistische, aber keinesfalls sich ausschließende Ereignisse sind. Dabei zeigen Tets ihre stärkste Aktivität an offenem und zugänglichem Chromatin. Zudem führt der Verlust von Tets zu einer deutlichen Missregulation von Dnmts, welche sich durch eine Zunahme der Maintenance und de novo-Methylierungseffizienz äußert. Schließlich zeigt die räumliche Modellierung, dass die de novo-Methyltransferasen bei ihrer Aktivität abhängig von bereits bestehender DNA Methylierung sind.