Summary: A combination of bisulfite treatment of DNA and high-throughput sequencing (BS-Seq) can capture a snapshot of a cell's epigenomic state by revealing its genome-wide cytosine methylation at single base resolution. Bismark is a flexible tool for the time-efficient analysis of BS-Seq data which performs both read mapping and methylation calling in a single convenient step. Its output discriminates between cytosines in CpG, CHG and CHH context and enables bench scientists to visualize and interpret their methylation data soon after the sequencing run is completed.

Single-cell bisulfite sequencing (scBS-seq) allows robust DNA methylation analysis in rare cells and heterogeneous populations. We report a single-cell bisulfite sequencing (scBS-seq) method that can be used to accurately measure DNA methylation at up to 48.4% of CpG sites. Embryonic stem cells grown in serum or in 2i medium displayed epigenetic heterogeneity, with '2i-like' cells present in serum culture. Integration of 12 individual mouse oocyte datasets largely recapitulated the whole DNA methylome, which makes scBS-seq a versatile tool to explore DNA methylation in rare cells and heterogeneous populations.

Genome-wide DNA methylation reprogramming occurs in mouse primordial germ cells (PGCs) and preimplantation embryos, but the precise dynamics and biological outcomes are largely unknown. We have carried out whole-genome bisulfite sequencing (BS-Seq) and RNA-Seq across key stages from E6.5 epiblast to E16.5 PGCs. Global loss of methylation takes place during PGC expansion and migration with evidence for passive demethylation, but sequences that carry long-term epigenetic memory (imprints, CpG islands on the X chromosome, germline-specific genes) only become demethylated upon entry of PGCs into the gonads. The transcriptional profile of PGCs is tightly controlled despite global hypomethylation, with transient expression of the pluripotency network, suggesting that reprogramming and pluripotency are inextricably linked. Our results provide a framework for the understanding of the epigenetic ground state of pluripotency in the germline.

Distinguishing Epigenetic Marks Methylation of the cytosine base in eukaryotic DNA (5mC) is an important epigenetic mark involved in gene silencing and genome stability. Methylated cytosine can be enzymatically oxidized to 5-hydroxymethylcytosine (5hmC), which may function as a distinct epigenetic mark—possibly involved in pluripotency—and it may also be an intermediate in active DNA demethylation. To be able to detect 5hmC genome-wide and at single-base resolution, Booth et al. (p. 934 , published online 26 April) developed a 5hmC sequencing chemistry that selectively oxidizes 5hmC to 5-formylcytosine and then to uracil while leaving 5mC unchanged. Using this method, mouse embryonic stem cell genomic DNA was sequenced to reveal that 5hmC is found enriched at intragenic CpG islands and long interspersed nuclear element–1 retrotransposons.

Current human pluripotent stem cells lack the transcription factor circuitry that governs the ground state of mouse embryonic stem cells (ESC). Here, we report that short-term expression of two components, NANOG and KLF2, is sufficient to ignite other elements of the network and reset the human pluripotent state. Inhibition of ERK and protein kinase C sustains a transgene-independent rewired state. Reset cells self-renew continuously without ERK signaling, are phenotypically stable, and are karyotypically intact. They differentiate in vitro and form teratomas in vivo. Metabolism is reprogrammed with activation of mitochondrial respiration as in ESC. DNA methylation is dramatically reduced and transcriptome state is globally realigned across multiple cell lines. Depletion of ground-state transcription factors, TFCP2L1 or KLF4, has marginal impact on conventional human pluripotent stem cells but collapses the reset state. These findings demonstrate feasibility of installing and propagating functional control circuitry for ground-state pluripotency in human cells.

Parallel, genome-wide methylation and transcriptional profiling from a single cell (scM&T-seq) enables the discovery of associations between transcriptional and epigenetic variation. We report scM&T-seq, a method for parallel single-cell genome-wide methylome and transcriptome sequencing that allows for the discovery of associations between transcriptional and epigenetic variation. Profiling of 61 mouse embryonic stem cells confirmed known links between DNA methylation and transcription. Notably, the method revealed previously unrecognized associations between heterogeneously methylated distal regulatory elements and transcription of key pluripotency genes.

Elucidating how and to what extent CpG islands (CGIs) are methylated in germ cells is essential to understand genomic imprinting and epigenetic reprogramming. Here we present, to our knowledge, the first integrated epigenomic analysis of mammalian oocytes, identifying over a thousand CGIs methylated in mature oocytes. We show that these CGIs depend on DNMT3A and DNMT3L but are not distinct at the sequence level, including in CpG periodicity. They are preferentially located within active transcription units and are relatively depleted in H3K4me3, supporting a general transcription-dependent mechanism of methylation. Very few methylated CGIs are fully protected from post-fertilization reprogramming but, notably, the majority show incomplete demethylation in embryonic day (E) 3.5 blastocysts. Our study shows that CGI methylation in gametes is not entirely related to genomic imprinting but is a strong factor in determining methylation status in preimplantation embryos, suggesting a need to reassess mechanisms of post-fertilization demethylation.

Abstract Parallel single-cell sequencing protocols represent powerful methods for investigating regulatory relationships, including epigenome-transcriptome interactions. Here, we report a single-cell method for parallel chromatin accessibility, DNA methylation and transcriptome profiling. scNMT-seq (single-cell nucleosome, methylation and transcription sequencing) uses a GpC methyltransferase to label open chromatin followed by bisulfite and RNA sequencing. We validate scNMT-seq by applying it to differentiating mouse embryonic stem cells, finding links between all three molecular layers and revealing dynamic coupling between epigenomic layers during differentiation.

Genome-wide erasure of DNA methylation takes place in primordial germ cells (PGCs) and early embryos and is linked with pluripotency. Inhibition of Erk1/2 and Gsk3β signaling in mouse embryonic stem cells (ESCs) by small-molecule inhibitors (called 2i) has recently been shown to induce hypomethylation. We show by whole-genome bisulphite sequencing that 2i induces rapid and genome-wide demethylation on a scale and pattern similar to that in migratory PGCs and early embryos. Major satellites, intracisternal A particles (IAPs), and imprinted genes remain relatively resistant to erasure. Demethylation involves oxidation of 5-methylcytosine (5mC) to 5-hydroxymethylcytosine (5hmC), impaired maintenance of 5mC and 5hmC, and repression of the de novo methyltransferases (Dnmt3a and Dnmt3b) and Dnmt3L. We identify a Prdm14- and Nanog-binding cis-acting regulatory region in Dnmt3b that is highly responsive to signaling. These insights provide a framework for understanding how signaling pathways regulate reprogramming to an epigenetic ground state of pluripotency.

Formation of the three primary germ layers during gastrulation is an essential step in the establishment of the vertebrate body plan and is associated with major transcriptional changes1–5. Global epigenetic reprogramming accompanies these changes6–8, but the role of the epigenome in regulating early cell-fate choice remains unresolved, and the coordination between different molecular layers is unclear. Here we describe a single-cell multi-omics map of chromatin accessibility, DNA methylation and RNA expression during the onset of gastrulation in mouse embryos. The initial exit from pluripotency coincides with the establishment of a global repressive epigenetic landscape, followed by the emergence of lineage-specific epigenetic patterns during gastrulation. Notably, cells committed to mesoderm and endoderm undergo widespread coordinated epigenetic rearrangements at enhancer marks, driven by ten-eleven translocation (TET)-mediated demethylation and a concomitant increase of accessibility. By contrast, the methylation and accessibility landscape of ectodermal cells is already established in the early epiblast. Hence, regulatory elements associated with each germ layer are either epigenetically primed or remodelled before cell-fate decisions, providing the molecular framework for a hierarchical emergence of the primary germ layers. Single-cell mapping of chromatin accessibility, DNA methylation and RNA expression during gastrulation in mouse embryos shows characteristic epigenetic changes that accompany formation of the primary germ layers.