ABSTRACT The mechanism behind transgenerational epigenetic inheritance (TEI) is unclear, particularly through the maternal grandparental line. We previously showed that disruption of folate metabolism in mice by the Mtrr gt hypomorphic mutation results in TEI of congenital malformations. Either maternal grandparent can initiate this phenomenon, which persists for at least four wildtype generations. In this work, we use a genome-wide approach to reveal genetic stability in the Mtrr gt model and epigenome-wide differential DNA methylation in the germline of Mtrr +/gt maternal grandfathers. While epigenetic reprogramming occurs, wildtype grandprogeny and great grandprogeny exhibit transcriptional memory of germline methylation defects. One region encompasses the Hira gene, which is misexpressed in embryos at least until the F3 generation in a manner that distinguishes Hira transcript expression as a biomarker of maternal phenotypic inheritance.

ABSTRACT Essential fatty acids (EFAs) and their derivatives, the long and very long chain polyunsaturated fatty acids (LC-PUFAs), are preferentially transported by the mother to the fetus. Failure to supply EFAs is strongly linked with stillbirth, fetal growth restriction, and impaired neurodevelopmental outcomes. However, dietary supplementation during pregnancy is unable to simply reverse these outcomes, suggesting imperfectly understood interactions between dietary EFA intake and the molecular mechanisms of maternal supply. Here we combine untargeted lipidomics with transcriptional profiling of healthy and genetically-manipulated murine models to understand the maternal adaptations required to provide LC-PUFAs to the developing fetus. We discovered a late pregnancy-specific, selective activation of the Liver X Receptor signalling pathway which dramatically increases maternal supply of LC-PUFAs within circulating phospholipids. Crucially, genetic ablation of this pathway in the mother reduced LC-PUFA accumulation by the fetus. Overall our work suggests new molecular strategies for improving maternal-fetal transfer of these important lipids.

Abstract Intracisternal A-particles (IAPs) are endogenous retroviruses (ERVs) responsible for most insertional mutations in the mouse. Full-length IAPs harbour genes flanked by long terminal repeats (LTRs). Here, we identify a solo LTR IAP variant ( C57iap1 solo ) recently formed in the inbred C57BL/6J mouse strain. In contrast to the C57BL/6J full-length IAP at this locus ( C57iap1 full ), C57iap1 solo lacks DNA methylation and H3K9 trimethylation. The distinct DNA methylation levels between the two alleles are established during preimplantation development, likely due to loss of KRAB zinc finger protein binding at the C57iap1 solo variant. C57iap1 solo methylation increases and becomes more variable in a hybrid genetic background yet is unresponsive to maternal dietary methyl supplementation. Differential epigenetic modification of the two variants is associated with metabolic differences and tissue-specific changes in adjacent gene expression. Our characterisation of C57iap1 as a genetically-induced epiallele with functional consequences establishes a new model to study transposable element repression and host-element co-evolution.

Abstract Early-life factors, including nutrition, shape long-term health outcomes. Despite the essential role of lactation in maternal nutritional support, the influence of epigenetic factors on lactation and postnatal growth remains poorly understood. Zinc-finger protein 57 (ZFP57), is an epigenetic regulator of genomic imprinting, a process that directs gene expression based on parental origin, playing a vital role in mammalian prenatal growth. Here, we identify a novel function of ZFP57 in regulating the mammary gland, where it serves as a key modulator of postnatal resource control, independently of imprinted genes. ZFP57 influences multiple aspects of mammary gland function, including ductal branching and cellular homeostasis. Its absence leads to significant differential gene expression, related to alveologenesis, lactogenesis and milk synthesis, associated with delayed lactation and altered milk composition. This results in life-long impacts on offspring including the development of metabolic syndrome. Cross-fostering reveals intricate dynamics between mother and offspring during lactation. Pups raised by a dam of a different genotype than their birth mother exhibit exacerbated metabolic features in adulthood, providing additional insight into the programming of offspring long-term health by maternal context. This study deepens our understanding of the interplay between epigenetic factors, lactation, and postnatal resource control and identifies ZFP57 as a major regulator of both pre and postnatal resource control in mammals.

Abstract In mouse and human, genes subjected to genomic imprinting have been shown to function in development, behaviour, and post-natal adaptations. Failure to correctly imprint genes in human is associated with developmental syndromes, adaptive and metabolic disorders during life as well as numerous forms of cancer. In recent years researchers have turned to RNA-seq technologies applied to reciprocal hybrid strains of mice to identify novel imprinted genes, causing a 3-fold increase in genes reported as having a parental origin specific expression bias. The functional relevance of parental origin-specific expression bias is not fully appreciated especially since many are reported with only minimal parental bias (e.g. 51:49). Here we present an in-depth meta-analysis of previously generated RNA-seq data and show that the methods used to generate and analyse libraries greatly influence the calling of allele-specific expression. Validation experiments show that most novel genes called with parental-origin specific allelic bias are artefactual, with the mouse strain contributing a larger effect on expression biases than parental origin. Of the weak novel genes that do validate, most are located at the periphery of known imprinted domains, suggesting they may be affected by local allele- and tissue-specific conformation. Together these findings highlight the need for robust tools, definitions, and validation of putative imprinted genes to provide meaningful information within imprinting databases and to understand the functional and mechanistic implications of the process.

Single-cell RNA-seq has the potential to facilitate isoform quantification as the confounding factor of a mixed population of cells is eliminated. We carried out a benchmark for five popular isoform quantification tools. Performance was generally good when run on simulated data based on SMARTer and SMART-seq2 data, but was poor for simulated Drop-seq data. Importantly, the reduction in performance for single-cell RNA-seq compared with bulk RNA-seq was small. An important biological insight comes from our analysis of real data which showed that genes that express two isoforms in bulk RNA-seq predominantly express one or neither isoform in individual cells.

Background: KRAB-zinc finger proteins (KZFPs) represent one of the largest families of DNA binding proteins in vertebrate genomes and appear to have evolved to silence transposable elements (TEs) including endogenous retroviruses through sequence-specific targeting of repressive chromatin states. ZFP57 is required to maintain the post-fertilization DNA methylation memory of parental-origin at genomic imprints along with ZFP445 which is specific for imprints. However, ZFP57 has multiple methylated genomic targets. Here we conduct RNA-seq and ChIP-seq analyses in normal and ZFP57 mutant mouse ES cells to understand the relative importance of ZFP57 at unique and repetitive regions of the genome. Results: Over 80% of ZFP57 targets are TEs, however, ZFP57 is not essential for their repression. The remaining targets lie within unique imprinted and non-imprinted sequences. Though loss of ZFP57 influences imprinted genes as expected, the majority of unique gene targets lose H3K9me3 with little effect on DNA methylation and very few exhibiting alterations in expression. Comparison with DNA methyltransferase-deleted ES cells (TKO) identifies remarkably similar losses of H3K9me3 and changes in expression, defining regions where H3K9me3 is secondary to DNA methylation. We show that ZFP57 is the principal methylation-sensitive KZFP recruiting KAP1 and H3K9me3 in ES cells. Finally, like imprints, other unique targets of ZFP57 are enriched for germline-derived DNA methylation including oocyte-specific methylation that is resistant to post-fertilisation epigenetic reprogramming. Conclusion: Our analyses suggest the evolution of a rare DNA methylation-sensitive KZFP that is not essential for repeat silencing, but whose primary function is to maintain DNA methylation and repressive histone marks at germline derived imprinting control regions.

Noncoding regulatory variants play a central role in the genetics of human diseases and in evolution. Here we measure allele-specific transcription factor binding occupancy of three liver-specific transcription factors between crosses of two inbred mouse strains to elucidate the regulatory mechanisms underlying transcription factor binding variations in mammals. Our results highlight the pre-eminence of cis-acting variants on transcription factor occupancy divergence. Transcription factor binding differences linked to cis-acting variants generally exhibit additive inheritance, while those linked to trans-acting variants are most often dominantly inherited. Cis-acting variants lead to local coordination of transcription factor occupancies that decay with distance; distal coordination is also observed and may be modulated by long-range chromatin contacts. Our results reveal the regulatory mechanisms that interplay to drive transcription factor occupancy, chromatin state, and gene expression in complex mammalian cell states.

Introduction. Many transcription factors initiate transcription only in specific sequence contexts, providing the means for sequence specificity of transcriptional control. A four-letter DNA alphabet only partially describes the possible diversity of nucleobases a transcription factor might encounter. For instance, cytosine is often present in a covalently modified form: 5-methylcytosine (5mC). 5mC can be successively oxidized to 5-hydroxymethylcytosine (5hmC), 5-formylcytosine (5fC), and 5-carboxylcytosine (5caC). Just as transcription factors distinguish one unmodified nucleobase from another, some have been shown to distinguish unmodified bases from these covalently modified bases. Modification-sensitive transcription factors provide a mechanism by which widespread changes in DNA methylation and hydroxymethylation can dramatically shift active gene expression programs. Methods. To understand the effect of modified nucleobases on gene regulation, we developed methods to discover motifs and identify transcription factor binding sites in DNA with covalent modifications. Our models expand the standard A/C/G/T alphabet, adding m (5mC) h (5hmC), f (5fC), and c (5caC). We additionally add symbols to encode guanine complementary to these modified cytosine nucleobases, as well as symbols to represent states of ambiguous modification. We adapted the well-established position weight matrix model of transcription factor binding affinity to an expanded alphabet. We developed a program, Cytomod, to create a modified sequence. We also enhanced the MEME Suite to be able to handle custom alphabets. These versions permit users to specify new alphabets, anticipating future alphabet expansions. Results. We created an expanded-alphabet sequence using whole-genome maps of 5mC and 5hmC in naive ex vivo mouse T cells. Using this sequence and ChIP-seq data from Mouse ENCODE and others, we identified modification-sensitive cis-regulatory modules. We elucidated various known methylation binding preferences, including the preference of ZFP57 and C/EBPβ for methylated motifs and the preference of c-Myc for unmethylated E-box motifs. We demonstrated that our method is robust to parameter perturbations, with transcription factors' sensitivities for methylated and hydroxymethylated DNA broadly conserved across a range of modified base calling thresholds. Hypothesis testing across different threshold values was used to determine cutoffs most suitable for further analyses. Using these known binding preferences to tune model parameters enables discovery of novel modified motifs. Discussion. Hypothesis testing of motif central enrichment provides a natural means of differentially assessing modified versus unmodified binding affinity, without most of the limitations of a de novo analysis. This approach can be readily extended to other DNA modifications, provided genome-wide single-base resolution data is available. As more high-resolution epigenomic data becomes available, we expect this method to continue to yield insights into altered transcription factor binding affinities across a variety of modifications.

Abstract At interphase, de-condensed chromosomes have a non-random three-dimensional architecture within the nucleus, however, little is known about the extent to which nuclear organisation might influence expression or vice versa . Here, using imprinting as a model, we use 3D RNA- and DNA-fluorescence-in-situ-hybridisation in normal and mutant mouse embryonic stem cells to assess the relationship between imprinting control, gene expression and allelic distance from the nuclear periphery. We compared the two parentally inherited imprinted domains at the Dlk1-Dio3 domain and find a small but reproducible trend for the maternally inherited domain to be further away from the periphery if the maternally expressed gene Gtl2/Meg3 is active compared to when it is silenced. Using Zfp57KO ES cells, which harbour a paternal to maternal epigenotype switch, we observe active alleles significantly further away from the nuclear periphery with the distance from the periphery being proportional to the number of alleles active within the cell. This distribution of alleles suggests an activating effect of the nuclear interior rather than a repressive association with the nuclear periphery. Although we see a trend for the paternally inherited copy of the locus to be closer to the nuclear periphery, this appears to be linked to stochastic gene expression differences rather than parental origin. Our results suggest that transcriptional activity, rather than transcriptional repression or parental origin, defines sub-nuclear localisation at an endogenous imprinted domain. Author summary Genomic imprinting is an epigenetically regulated process that results in the preferential expression of a subset of developmentally regulated genes from maternally or paternally inherited chromosomes. We have used imprinted genes as a model system to investigate the relationship between the localisation of genes within the cell nucleus and their active expression while at the same time distinguishing gene repression by genomic imprinting, and gene repression by other mechanisms that act on the active allele. We find that there is a significant correlation between transcription and distance to the edge of the nucleus for the Gtl2/Meg3 gene in the imprinted Dlk1 - Dio3 region. However, this correlation has a very small effect size and the nuclear envelope, which is commonly thought to act as a repressive environment for gene expression, does not appear to play a major role. We show that position effects, which have been shown for artificially lamina-targeted genes, also exist for endogenous loci and consider the possible biological relevance of the observed small effect.