Abstract The ciliate Tetrahymena thermophila is a well-established unicellular model eukaryote, contributing significantly to foundational biological discoveries. Despite its acknowledged importance, current Tetrahymena biology studies face challenges due to gene annotation inaccuracy, particularly the notable absence of untranslated regions (UTRs). To comprehensively annotate the Tetrahymena macronuclear genome, we collected extensive transcriptomic data spanning various cell stages. To ascertain transcript orientation and transcription start/end sites, we incorporated data of epigenetic marks displaying enrichment towards the 5’ end of gene bodies, including H3 lysine 4 tri-methylation (H3K4me3), H2A.Z, nucleosomes, and N 6 -methyldeoxyadenine (6mA). Additionally, we integrated Nanopore direct sequencing (DRS), strand-specific RNA-seq, and ATAC-seq data. Using a newly-developed bioinformatic pipeline, coupled with manual curation and experimental validation, our work yielded substantial improvements to the current gene models, including the addition of 2,481 new genes, updates to 6,257 existing genes, and the incorporation of 5,917 alternatively spliced isoforms. Furthermore, novel UTR information was annotated for 26,223 high-confidence genes. Intriguingly, 16% of protein-coding genes were identified to have natural antisense transcripts (NATs) characterized by high diversity in alternative splicing, thus offering insights into understanding transcriptional regulation. Our work will enhance the utility of Tetrahymena as a robust genetic toolkit for advancing biological research.

Abstract DNA N 6 -adenine methylation (6mA) is involved in gene transcription as a potential epigenetic mark in eukaryotes. Despite the reported methyltransferase (MTase) for 6mA methylation in several eukaryotes, the regulatory mechanisms that govern the activity of 6mA MTase remain elusive. Here, we exploited the 6mA MTase AMT1 to elucidate its self-regulation in the unicellular eukaryote Tetrahymena thermophila . Firstly, detailed endogenous localization of AMT1 was delineated both in vegetative and sexual stages, revealing a correlation between the 6mA reestablishment in the new MAC and the occurrence of zygotically expressed AMT1. Catalytically inactive AMT1 reduced 6mA level on the AMT1 gene and its expression level, suggesting that AMT1 modulated its own transcription via 6mA. Furthermore, AMT1-dependent 6mA regulated the transcription of its target genes thus affecting the cell fitness, as demonstrated by manipulating the dosage of AMT1 using AMT1-RNAi strains. Our findings unveil a positive feedback loop of transcriptional activation on the AMT1 gene and highlight the crucial role of AMT1-dependent 6mA for gene transcription.

The ciliate Tetrahymena thermophila is a well-established unicellular model eukaryote, contributing significantly to foundational biological discoveries. Despite its acknowledged importance, current studies on Tetrahymena biology face challenges due to gene annotation inaccuracy, particularly the notable absence of untranslated regions (UTRs). To comprehensively annotate the Tetrahymena macronuclear genome, we collected extensive transcriptomic data spanning various cell stages. To ascertain transcript orientation and transcription start/end sites, we incorporated data on epigenetic marks displaying enrichment towards the 5' end of gene bodies, including H3 lysine 4 tri-methylation (H3K4me3), histone variant H2A.Z, nucleosome positioning and N6-methyldeoxyadenine (6mA). Cap-seq data was subsequently applied to validate the accuracy of identified transcription start sites. Additionally, we integrated Nanopore direct RNA sequencing (DRS), strand-specific RNA sequencing (RNA-seq) and assay for transposase-accessible chromatin with high-throughput sequencing (ATAC-seq) data. Using a newly developed bioinformatic pipeline, coupled with manual curation and experimental validation, our work yielded substantial improvements to the current gene models, including the addition of 2,481 new genes, updates to 23,936 existing genes, and the incorporation of 8,339 alternatively spliced isoforms. Furthermore, novel UTR information was annotated for 26,687 high-confidence genes. Intriguingly, 20% of protein-coding genes were identified to have natural antisense transcripts characterized by high diversity in alternative splicing, thus offering insights into understanding transcriptional regulation. Our work will enhance the utility of Tetrahymena as a robust genetic toolkit for advancing biological research, and provides a promising framework for genome annotation in other eukaryotes.

Abstract Stable inheritance of DNA N 6 -methyladenine (6mA) is crucial for its biological functions in eukaryotes. Here, we identify two distinct methyltransferase (MTase) complexes, both sharing the catalytic subunit AMT1, but featuring AMT6 and AMT7 as their unique components, respectively. While the two complexes are jointly responsible for 6mA maintenance methylation, they exhibit distinct enzymology, DNA/chromatin affinity, genomic distribution, and knockout phenotypes. AMT7 complex, featuring high MTase activity and processivity, is connected to transcription-associated epigenetic marks, including H2A.Z and H3K4me3, and is required for the bulk of maintenance methylation. In contrast, AMT6 complex, with reduced activity and processivity, is recruited to initiate maintenance methylation immediately after DNA replication. These two complexes coordinate in maintenance methylation. By integrating signals from both replication and transcription, this mechanism ensures the faithful and efficient transmission of 6mA as an epigenetic mark in eukaryotes. Significance statement DNA N 6 -methyladenine (6mA) has recently been recognized as an epigenetic mark in eukaryotes. The stable inheritance of 6mA is essential for its biological functions. However, the precise mechanisms by which 6mA patterns are faithfully and efficiently transmitted remain largely unknown. Here, we have identified two distinct 6mA methyltransferase (MTase) complexes and elucidated their coordinated role in maintenance methylation. This dual- complex mechanism ensures rapid and accurate methylation at newly replicated loci with proper transcription-associated epigenetic marks.