Offspring affected by sperm small RNAs Paternal dietary conditions in mammals influence the metabolic phenotypes of offspring. Although prior work suggests the involvement of epigenetic pathways, the mechanisms remains unclear. Two studies now show that altered paternal diet affects the level of small RNAs in mouse sperm. Chen et al. injected sperm transfer RNA (tRNA) fragments from males that had been kept on a high-fat diet into normal oocytes. The progeny displayed metabolic disorders and concomitant alteration of genes in metabolic pathways. Sharma et al. observed the biogenesis and function of small tRNA-derived fragments during sperm maturation. Further understanding of the mechanisms by which progeny are affected by parental exposure may affect human diseases such as diet-induced metabolic disorders. Science , this issue p. 397 , p. 391

The biogenesis of the RNA payload of mature sperm is of great interest, because RNAs delivered to the zygote at fertilization can affect early development. Here, we tested the hypothesis that small RNAs are trafficked to mammalian sperm during the process of post-testicular maturation in the epididymis. By characterizing small RNA dynamics during germ cell maturation in mice, we confirm and extend prior observations that sperm undergo a dramatic switch in the RNA payload from piRNAs to tRNA fragments (tRFs) upon exiting the testis and entering the epididymis. Small RNA delivery to sperm could be recapitulated in vitro by incubating testicular spermatozoa with caput epididymosomes. Finally, tissue-specific metabolic labeling of RNAs in intact mice definitively shows that mature sperm carry RNAs that were originally synthesized in the epididymal epithelium. These data demonstrate that soma-germline RNA transfer occurs in male mammals, most likely via vesicular transport from the epididymis to maturing sperm.

The small RNA payload of mammalian sperm undergoes dramatic remodeling during development, as several waves of microRNAs and tRNA fragments are shipped to sperm during post-testicular maturation in the epididymis. Here, we take advantage of this developmental process to probe the function of the sperm RNA payload in preimplantation development. We generated zygotes via intracytoplasmic sperm injection (ICSI) using sperm obtained from the proximal (caput) versus distal (cauda) epididymis and then characterized the development of the resulting embryos. Embryos generated using caput sperm significantly overexpress multiple regulatory factors throughout preimplantation development, subsequently implant inefficiently, and fail soon after implantation. Remarkably, microinjection of purified cauda-specific small RNAs into caput-derived embryos not only completely rescued preimplantation molecular defects but also suppressed the post-implantation embryonic lethality phenotype. These findings reveal an essential role for small RNA remodeling during post-testicular maturation of mammalian sperm and identify a specific preimplantation gene expression program responsive to sperm-delivered microRNAs.

Gene regulatory networks (GRNs) provide insights into the mechanisms of differential gene expression at a systems level. GRNs that relate to metazoan development have been studied extensively. However, little is still known about the design principles, organization and functionality of GRNs that control physiological processes such as metabolism, homeostasis and responses to environmental cues. In this study, we report the first experimentally mapped metazoan GRN of Caenorhabditis elegans metabolic genes. This network is enriched for nuclear hormone receptors (NHRs). The NHR family has greatly expanded in nematodes: humans have 48 NHRs, but C. elegans has 284, most of which are uncharacterized. We find that the C. elegans metabolic GRN is highly modular and that two GRN modules predominantly consist of NHRs. Network modularity has been proposed to facilitate a rapid response to different cues. As NHRs are metabolic sensors that are poised to respond to ligands, this suggests that C. elegans GRNs evolved to enable rapid and adaptive responses to different cues by a concurrence of NHR family expansion and modular GRN wiring.

Summary paragraph The host-microbiota relationship has evolved to shape mammalian processes, including immunity, metabolism, and development 1–3 . Host phenotypes change in direct response to microbial exposures by the individual. Here we show that the microbiota induces phenotypic change not only in the individual but also in their succeeding generations of progeny. We found that germ-free mice exhibit a robust sebum secretion defect and transcriptional changes in various organs, persisting across multiple generations despite microbial colonization and breeding with conventional mice. Host-microbe interactions could be involved in this process, since T cell-deficient mice, which display defective sebum secretion 4 , also transgenerationally transmit their phenotype to progeny. These phenotypes are inherited by progeny conceived during in vitro fertilization using germ-free sperm and eggs, demonstrating that epigenetic information in the gametes is required for phenotypic transmission. Accordingly, small non-coding RNAs that can regulate embryonic gene expression 5 were strikingly and similarly altered in gametes of germ-free and T cell-deficient mice. Thus, we have uncovered a novel mechanism whereby the microbiota and immune system induce phenotypic changes in successive generations of offspring. This epigenetic form of inheritance could be advantageous for host adaptation to environmental perturbation, where phenotypic diversity can be introduced more rapidly than by genetic mutation.

Despite the numerous sequencing methods available, the diversity in RNA size and chemical modification makes it difficult to capture all RNAs in a cell. We developed a method that combines quasi-random priming with template switching to construct sequencing libraries from RNA molecules of any length and with any type of 3′ modifications, allowing for the sequencing of virtually all RNA species. Our ligation-independent detection of all types of RNA (LIDAR) is a simple, effective tool to identify and quantify all classes of coding and non-coding RNAs. With LIDAR, we comprehensively characterized the transcriptomes of mouse embryonic stem cells, neural progenitor cells, mouse tissues, and sperm. LIDAR detected a much larger variety of tRNA-derived RNAs (tDRs) compared with traditional ligation-dependent sequencing methods and uncovered tDRs with blocked 3′ ends that had previously escaped detection. Therefore, LIDAR can capture all RNAs in a sample and uncover RNA species with potential regulatory functions.

Forecasted increases in the prevalence and severity of extreme weather events accompanying changes in climatic behavior pose potential risk to the reproductive capacity of humans and animals of ecological and agricultural significance. While several studies have revealed that heat stress induced by challenges such as testicular insulation can elicit a marked negative effect on the male reproductive system, and particularly the production of spermatozoa, less is known about the immediate impact on male reproductive function following sub-chronic whole-body exposure to elevated ambient temperature. To address this knowledge gap, we exposed unrestrained male mice to heat stress conditions that emulate a heat wave (daily cycle of 8 h at 35°C followed by 16 h at 25°C) for a period of seven days. Neither the testes or epididymides of heat exposed male mice exhibited evidence of gross histological change, and similarly, spermatozoa of exposed males retained their functionality and ability to support embryonic development. However, the embryos generated from heat exposed spermatozoa experienced pronounced changes in gene expression linked to acceleration of early embryo development, aberrant blastocyst hatching and increased fetal weight. Such changes were causally associated with an altered sperm small non-coding RNA (sncRNA) profile, such that these developmental phenotypes were recapitulated by microinjection of wild-type embryos sired by control spermatozoa with RNAs extracted from heat exposed spermatozoa. Such data highlight that even a relatively modest excursion in ambient temperature can affect male reproductive function and identify the sperm sncRNA profile as a particular point of vulnerability to this imposed environmental stress.

Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infection and resulting coronavirus disease (COVID-19) causes placental dysfunction, which increases the risk of adverse pregnancy outcomes. While abnormal placental pathology resulting from COVID-19 is common, direct infection of the placenta is rare. This suggests that pathophysiology associated with maternal COVID-19, rather than direct placental infection, is responsible for placental dysfunction and alteration of the placental transcriptome. We hypothesized that maternal circulating extracellular vesicles (EVs), altered by COVID-19 during pregnancy, contribute to placental dysfunction. To examine this hypothesis, we characterized maternal circulating EVs from pregnancies complicated by COVID-19 and tested their effects on trophoblast cell physiology

Beyond the haploid genome, mammalian sperm contribute a payload of epigenetic information which can modulate offspring phenotypes. Recent studies have shown that the small RNA payload of sperm undergoes extensive remodeling during post-testicular maturation in the epididymis. Intriguingly, epididymal maturation has also been linked to changes in the sperm methylome, suggesting that the epididymis might play a broader role in remodeling the sperm epigenome. Here, we build on prior studies of the maturing sperm methylation landscape, further characterizing the genome-wide methylation landscape in seven germ cell populations collected from throughout the male reproductive tract. Overall, we find very few changes in the cytosine methylation landscape between testicular germ cell populations and cauda epididymal sperm, demonstrating that the sperm methylome is largely stable throughout post-testicular maturation. Intriguingly, although our sequencing data suggested that caput epididymal sperm exhibit a highly unusual methylome, follow-up studies revealed that this resulted from contamination of caput sperm by extracellular DNA. Extracellular DNA formed web-like structures that ensnared sperm, was present only in the caput epididymis of virgin males, where it was associated with citrullinated histone H3 and presumably resulted from a PAD-driven genome decondensation process. Taken together, our data emphasize the stability of the cytosine methylation landscape in mammalian sperm, and identify a surprising but transient period during which immature sperm are associated with extracellular DNA.

Although many features of embryonic development exhibit remarkable stability in the face of environmental perturbations, it is also clear that some aspects of early embryogenesis can be modulated by non-genetic influences during and after fertilization. Among potential perturbations experienced during reproduction, understanding the consequences of differing ex vivo fertilization methods at a molecular level is imperative for comprehending both the basic biology of early development and the potential consequences of assisted reproduction. Here, we set out to explore stable and flexible aspects of preimplantation gene expression using single-embryo RNA-sequencing of mouse embryos fertilized by natural mating, in vitro fertilization, or intracytoplasmic sperm injection, as well as oocytes parthenogenetically activated to develop (parthenotes). This dataset comprises a resource of over eight hundred individual embryos, which we use for three primary analyses. First, we characterize the effects of each fertilization method on early embryonic gene regulation, most notably finding decreased expression of trophectoderm markers at later stages of preimplantation development in ICSI embryos. Second, we find massive gene misregulation in parthenotes beyond the expected defects in imprinted gene expression, and show that many of these changes can be suppressed by sperm total RNA. Finally, we make use of the single-embryo resolution of our dataset to identify both stably-expressed genes and highly-variable genes in the early mouse embryo. Together, our data provide a detailed survey of the molecular consequences of different fertilization methods, establish parthenotes as a tabula rasa for understanding the role for sperm RNAs in preimplantation gene regulation, and identify subtypes of preimplantation embryos based on their expression of epivariable gene modules.