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.

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.

DNA methylation is a fundamentally important epigenetic modification of the mammalian genome that has widespread influences on gene expression. During germ-cell specification and maturation, epigenetic reprogramming occurs and the DNA methylation landscape is profoundly remodelled. Defects in this process have major consequences for embryonic development and are associated with several genetic disorders. In this review we report our current understanding of the molecular mechanisms associated with de novo DNA methylation in germ cells. We discuss recent discoveries connecting histone modifications, transcription and the DNA methylation machinery, and consider how these new findings could lead to a model for methylation establishment. Elucidating how DNA methylation marks are established in the germline has been a challenge for nearly 20 years, but represents a key step towards a full understanding of several biological processes including genomic imprinting, epigenetic reprogramming and the establishment of the pluripotent state in early embryos. DNA methylation is a fundamentally important epigenetic modification of the mammalian genome that has widespread influences on gene expression. During germ-cell specification and maturation, epigenetic reprogramming occurs and the DNA methylation landscape is profoundly remodelled. Defects in this process have major consequences for embryonic development and are associated with several genetic disorders. In this review we report our current understanding of the molecular mechanisms associated with de novo DNA methylation in germ cells. We discuss recent discoveries connecting histone modifications, transcription and the DNA methylation machinery, and consider how these new findings could lead to a model for methylation establishment. Elucidating how DNA methylation marks are established in the germline has been a challenge for nearly 20 years, but represents a key step towards a full understanding of several biological processes including genomic imprinting, epigenetic reprogramming and the establishment of the pluripotent state in early embryos.

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.

Genomic imprinting requires the differential marking by DNA methylation of genes in male and female gametes. In the female germline, acquisition of methylation imprint marks depends upon the de novo methyltransferase Dnmt3a and its cofactor Dnmt3L, but the reasons why specific sequences are targets for Dnmt3a and Dnmt3L are still poorly understood. Here, we investigate the role of transcription in establishing maternal germline methylation marks. We show that at the Gnas locus, truncating transcripts from the furthest upstream Nesp promoter disrupts oocyte-derived methylation of the differentially methylated regions (DMRs). Transcription through DMRs in oocytes is not restricted to this locus but occurs across the prospective DMRs at many other maternally marked imprinted domains, suggesting a common requirement for transcription events. The transcripts implicated here in gametic methylation are protein-coding, in contrast to the noncoding antisense transcripts involved in the monoallelic silencing of imprinted genes in somatic tissues, although they often initiate from alternative promoters in oocytes. We propose that transcription is a third essential component of the de novo methylation system, which includes optimal CpG spacing and histone modifications, and may be required to create or maintain open chromatin domains to allow the methylation complex access to its preferred targets.

Abstract Chromosome structure in mammals is thought to regulate transcription by modulating three-dimensional interactions between enhancers and promoters, notably through CTCF-mediated loops and topologically associating domains (TADs) 1–4 . However, how chromosome interactions are actually translated into transcriptional outputs remains unclear. Here, to address this question, we use an assay to position an enhancer at large numbers of densely spaced chromosomal locations relative to a fixed promoter, and measure promoter output and interactions within a genomic region with minimal regulatory and structural complexity. A quantitative analysis of hundreds of cell lines reveals that the transcriptional effect of an enhancer depends on its contact probabilities with the promoter through a nonlinear relationship. Mathematical modelling suggests that nonlinearity might arise from transient enhancer–promoter interactions being translated into slower promoter bursting dynamics in individual cells, therefore uncoupling the temporal dynamics of interactions from those of transcription. This uncovers a potential mechanism of how distal enhancers act from large genomic distances, and of how topologically associating domain boundaries block distal enhancers. Finally, we show that enhancer strength also determines absolute transcription levels as well as the sensitivity of a promoter to CTCF-mediated transcriptional insulation. Our measurements establish general principles for the context-dependent role of chromosome structure in long-range transcriptional regulation.

Previously, a role was demonstrated for transcription in the acquisition of DNA methylation at imprinted control regions in oocytes. Definition of the oocyte DNA methylome by whole genome approaches revealed that the majority of methylated CpG islands are intragenic and gene bodies are hypermethylated. Yet, the mechanisms by which transcription regulates DNA methylation in oocytes remain unclear. Here, we systematically test the link between transcription and the methylome. We perform deep RNA-Seq and de novo transcriptome assembly at different stages of mouse oogenesis. This reveals thousands of novel non-annotated genes, as well as alternative promoters, for approximately 10 % of reference genes expressed in oocytes. In addition, a large fraction of novel promoters coincide with MaLR and ERVK transposable elements. Integration with our transcriptome assembly reveals that transcription correlates accurately with DNA methylation and accounts for approximately 85–90 % of the methylome. We generate a mouse model in which transcription across the Zac1/Plagl1 locus is abrogated in oocytes, resulting in failure of DNA methylation establishment at all CpGs of this locus. ChIP analysis in oocytes reveals H3K4me2 enrichment at the Zac1 imprinted control region when transcription is ablated, establishing a connection between transcription and chromatin remodeling at CpG islands by histone demethylases. By precisely defining the mouse oocyte transcriptome, this work not only highlights transcription as a cornerstone of DNA methylation establishment in female germ cells, but also provides an important resource for developmental biology research.

Abstract Chromosome structure in mammals is thought to regulate transcription by modulating the three-dimensional interactions between enhancers and promoters, notably through CTCF-mediated interactions and topologically associating domains (TADs) 1–4 . However, how chromosome interactions are actually translated into transcriptional outputs remains unclear. To address this question we use a novel assay to position an enhancer at a large number of densely spaced chromosomal locations relative to a fixed promoter, and measure promoter output and interactions within a genomic region with minimal regulatory and structural complexity. Quantitative analysis of hundreds of cell lines reveal that the transcriptional effect of an enhancer depends on its contact probabilities with the promoter through a non-linear relationship. Mathematical modeling and validation against experimental data further provide evidence that nonlinearity arises from transient enhancer-promoter interactions being memorized into longer-lived promoter states in individual cells, thus uncoupling the temporal dynamics of interactions from those of transcription. This uncovers a potential mechanism for how enhancers control transcription across large genomic distances despite rarely meeting their target promoters, and for how TAD boundaries can block distal enhancers. We finally show that enhancer strength additionally determines not only absolute transcription levels, but also the sensitivity of a promoter to CTCF-mediated functional insulation. Our unbiased, systematic and quantitative measurements establish general principles for the context-dependent role of chromosome structure in long-range transcriptional regulation.