Gastrulation controls the emergence of cellular diversity and axis patterning in the early embryo. In mammals, this transformation is orchestrated by dynamic signalling centres at the interface of embryonic and extraembryonic tissues1–3. Elucidating the molecular framework of axis formation in vivo is fundamental for our understanding of human development4–6 and to advance stem-cell-based regenerative approaches7. Here we illuminate early gastrulation of marmoset embryos in utero using spatial transcriptomics and stem-cell-based embryo models. Gaussian process regression-based 3D transcriptomes delineate the emergence of the anterior visceral endoderm, which is hallmarked by conserved (HHEX, LEFTY2, LHX1) and primate-specific (POSTN, SDC4, FZD5) factors. WNT signalling spatially coordinates the formation of the primitive streak in the embryonic disc and is counteracted by SFRP1 and SFRP2 to sustain pluripotency in the anterior domain. Amnion specification occurs at the boundaries of the embryonic disc through ID1, ID2 and ID3 in response to BMP signalling, providing a developmental rationale for amnion differentiation of primate pluripotent stem cells (PSCs). Spatial identity mapping demonstrates that primed marmoset PSCs exhibit the highest similarity to the anterior embryonic disc, whereas naive PSCs resemble the preimplantation epiblast. Our 3D transcriptome models reveal the molecular code of lineage specification in the primate embryo and provide an in vivo reference to decipher human development. 3D transcriptomes reveal the molecular code of lineage specification in the primate embryo and provide an in vivo reference to decipher human development.

Abstract Following gastrulation, the three primary germ layers develop into the major organs in a process known as organogenesis. Single-cell RNA sequencing has enabled the profiling of the gene expression dynamics of these cell fate decisions, yet a comprehensive map of the interplay between transcription factors and cis-regulatory elements is lacking, as are the underlying gene regulatory networks. Here we generate a multi-omics atlas of mouse early organogenesis by simultaneously profiling gene expression and chromatin accessibility from tens of thousands of single cells. We develop a computational method to leverage the multimodal readouts to predict transcription factor binding events in cis-regulatory elements, which we then use to infer gene regulatory networks that underpin lineage commitment events. Finally, we show that these models can be used to generate in silico predictions of the effect of transcription factor perturbations. We validate this experimentally by showing that Brachyury is essential for the differentiation of neuromesodermal progenitors to somitic mesoderm fate by priming cis-regulatory elements. The data set can be interactively explored at https://www.bioinformatics.babraham.ac.uk/shiny/shiny_multiome_organogenesis/

SUMMARY Germline specification in mammals occurs through an inductive process whereby competent cells in the post-implantation epiblast differentiate into primordial germ cells (PGC). The intrinsic factors that endow epiblast cells with the competence to respond to germline inductive signals remain unknown. Single-cell RNA sequencing across multiple stages of an in vitro PGC-like cells (PGCLC) differentiation system shows that PGCLC genes initially expressed in the naïve pluripotent stage become homogeneously dismantled in germline competent epiblast like-cells (EpiLC). In contrast, the decommissioning of enhancers associated with these germline genes is incomplete. Namely, a subset of these enhancers partly retain H3K4me1, accumulate less heterochromatic marks and remain accessible and responsive to transcriptional activators. Subsequently, as in vitro germline competence is lost, these enhancers get further decommissioned and lose their responsiveness to transcriptional activators. Importantly, using H3K4me1 deficient cells, we show that the loss of this histone modification reduces the germline competence of EpiLC and decreases PGCLC differentiation efficiency. Our work suggests that, although H3K4me1 might not be essential for enhancer function, it can facilitate the (re)activation of enhancers and the establishment of gene expression programs during specific developmental transitions.

ABSTRACT Ageing is the accumulation of changes and overall decline of the function of cells, organs and organisms over time. At the molecular and cellular level, the concept of biological age has been established and biomarkers of biological age have been identified, notably epigenetic DNA-methylation based clocks. With the emergence of single-cell DNA methylation profiling methods, the possibility to study biological age of individual cells has been proposed, and a first proof-of-concept study, based on limited single cell datasets mostly from early developmental origin, indicated the feasibility and relevance of this approach to better understand organismal changes and cellular ageing heterogeneity. Here we generated a large single-cell DNA methylation and matched transcriptome dataset from mouse peripheral blood samples, spanning a broad range of ages (10-101 weeks of age). We observed that the number of genes expressed increased at older ages, but gene specific changes were small. We next developed a robust single cell DNA methylation age predictor (scEpiAge), which can accurately predict age in a broad range of publicly available datasets, including very sparse data and it also predicts age in single cells. Interestingly, the DNA methylation age distribution is wider than technically expected in 19% of single cells, suggesting that epigenetic age heterogeneity is present in vivo and may relate to functional differences between cells. In addition, we observe differences in epigenetic ageing between the major blood cell types. Our work provides a foundation for better single-cell and sparse data epigenetic age predictors and highlights the significance of cellular heterogeneity during ageing. Highlights - Model to estimate DNA methylation age in single cells - Large multi-omics dataset of single cells from murine blood - Epigenetic age deviations from chronological age are greater than technical expected from technical variability - Number of genes expressed increases with chronological and epigenetic age

Abstract The origin of the jaw is a long-standing problem in vertebrate evolutionary biology. Classical hypotheses of serial homology propose that the upper and lower jaw evolved through modifications of dorsal and ventral gill arch skeletal elements, respectively. If the jaw and gill arches are derived members of a primitive branchial series, we predict that they would share common developmental patterning mechanisms. Using candidate and RNAseq/differential gene expression analyses, we find broad conservation of dorsoventral patterning mechanisms within the developing mandibular, hyoid and gill arches of a cartilaginous fish, the skate ( Leucoraja erinacea ). Shared features include expression of genes encoding members of the ventralising BMP and endothelin signalling pathways and their effectors, the joint markers bapx1 and gdf5 and pro-chondrogenic transcription factors barx1 and gsc, and the dorsalising transcription factor pou3f3. Additionally, we find that mesenchymal expression of eya1/six1 is an ancestral feature of the mandibular arch of jawed vertebrates, while differences in notch signalling distinguish the mandibular and gill arches in skate. Comparative transcriptomic analyses of mandibular and gill arch tissues reveal additional genes differentially expressed along the dorsoventral axis of the pharyngeal arches, including scamp5 as a novel marker of the dorsal mandibular arch, as well as distinct transcriptional features of mandibular and gill arch muscle progenitors and developing gill buds. Taken together, our findings reveal conserved patterning mechanisms in the pharyngeal arches of jawed vertebrates, consistent with serial homology of their skeletal derivatives, as well as unique transcriptional features that may underpin distinct jaw and gill arch morphologies.

The gill skeleton of cartilaginous fishes (sharks, skates, rays and holocephalans) exhibits a striking anterior–posterior polarity, with a series of fine appendages called branchial rays projecting from the posterior margin of the gill arch cartilages. We previously demonstrated in the skate (Leucoraja erinacea) that branchial rays derive from a posterior domain of pharyngeal arch mesenchyme that is responsive to Shh signalling from a distal gill arch epithelial ridge (GAER) signalling centre. However, how branchial ray progenitors are specified exclusively within posterior gill arch mesenchyme is not known. Here we show that genes encoding several Wnt ligands are expressed in the ectoderm immediately adjacent to the skate GAER, and that these Wnt signals are transduced largely in the anterior arch environment. Using pharmacological manipulation, we show that inhibition of Wnt signalling results in an anterior expansion of Shh signal transduction in developing skate gill arches, and in the formation of ectopic anterior branchial ray cartilages. Our findings demonstrate that ectodermal Wnt signalling contributes to gill arch skeletal polarity in skate by restricting Shh signal transduction and chondrogenesis to the posterior arch environment and highlights the importance of signalling interactions at embryonic tissue boundaries for cell fate determination in vertebrate pharyngeal arches.

Age-related tissue alterations have been associated with a decline in stem cell number and function. Although increased cell-to-cell variability in transcription or epigenetic marks has been proposed to be a major hallmark of ageing, little is known about the molecular diversity of stem cells during ageing. Here, by combined single-cell transcriptome and DNA methylome profiling in mouse muscle stem cells, we show a striking global increase of uncoordinated transcriptional heterogeneity together with context-dependent alterations of DNA methylation with age. Importantly, promoters with increased methylation heterogeneity are associated with increased transcriptional heterogeneity of the genes they drive. Notably, old cells that change the most with age reveal alterations in the transcription of genes regulating cell-niche interactions. These results indicate that epigenetic drift, by accumulation of stochastic DNA methylation changes in promoters, is a substantial driver of the degradation of coherent transcriptional networks with consequent stem cell functional decline during ageing.

Pluripotency is accompanied by the erasure of parental epigenetic memory with naive pluripotent cells exhibiting global DNA hypomethylation both in vitro and in vivo. Exit from pluripotency and priming for differentiation into somatic lineages is associated with genome-wide de novo DNA methylation. We show that during this phase, co-expression of enzymes required for DNA methylation turnover, DNMT3s and TETs, promotes cell-to-cell variability in this epigenetic mark. Using a combination of single-cell sequencing and quantitative biophysical modelling, we show that this variability is associated with coherent, genome-scale, oscillations in DNA methylation with an amplitude dependent on CpG density. Analysis of parallel single-cell transcriptional and epigenetic profiling provides evidence for oscillatory dynamics both in vitro and in vivo. These observations provide fresh insights into the emergence of epigenetic heterogeneity during early embryo development, indicating that dynamic changes in DNA methylation might influence early cell fate decisions.

Summary Recent breakthroughs in single-cell genomics allow probing molecular states of cells with unprecedented detail along the sequence of the DNA. Biological function relies, however, on emergent processes in the three-dimensional space of the nucleus, such as droplet formation through phase separation. Here, we use single-cell multi-omics sequencing to develop a theoretical framework to rigorously map epigenome profiling along the DNA sequence onto a description of the emergent spatial dynamics in the nucleus. Drawing on scNMT-seq multi-omics sequencing in vitro and in vivo we exemplify our approach in the context of exit from pluripotency and global de novo methylation of the genome. We show how DNA methylation patterns of the embryonic genome are established through the interplay between spatially correlated DNA methylation and topological changes to the DNA. This feedback leads to the predicted formation of 30-40nm sized condensates of methylated DNA and determines genome-scale DNA methylation rates. We verify these findings with orthogonal single cell multi-omics data that combine the methylome with HiC measurements. Notably, this scale of chromatin organization has recently been described by super-resolution microscopy. Using this framework, we identify local methylation correlations in gene bodies that precede transcriptional changes at the exit from pluripotency. Our work provides a general framework of how mechanistic insights into emergent processes underlying cell fate decisions can be gained by the combination of single-cell multi-omics and methods from theoretical physics that have not been applied in the context of genomics before. Highlights We develop methodology to infer collective spatio-temporal processes in the physical space of the nucleus from single-cell methylome sequencing experiments. We show that DNA methylation relies on a feedback between de novo methylation and nanoscale changes in DNA topology, leading to the formation of methylation condensates. Chromatin condensates at this scale have recently been described by high-resolution microscopy but have remained without mechanistic explanation. Using this framework, we identify changes in the distribution of DNA methylation marks in gene bodies that precede gene silencing at the exit from pluripotency.

ABSTRACT Epigenetic marks in gametes modulate developmental programming after fertilization. Spermatozoa from obese men exhibit distinct epigenetic signatures compared to lean men, however, whether epigenetic differences are concentrated in a sub-population of spermatozoa or spread across the ejaculate population is unknown. Here, by using whole-genome single-cell bisulfite sequencing on 87 motile spermatozoa from 8 individuals (4 lean and 4 obese), we found that spermatozoa within single ejaculates are highly heterogeneous and contain subsets of spermatozoa with marked imprinting defects. Comparing lean and obese subjects, we discovered methylation differences across two large CpG dense regions located near PPM1D and LINC01237 . These findings confirm that sperm DNA methylation is altered in human obesity and indicate that single ejaculates contain subpopulations of spermatozoa carrying distinct DNA methylation patterns. Distinct epigenetic patterns of spermatozoa within an ejaculate may result in different intergenerational effects and therefore influence strategies aiming to prevent epigenetic-related disorders in the offspring.