Human cleavage-stage embryos frequently acquire chromosomal aneuploidies during mitosis due to unknown mechanisms. Here, we show that S phase at the 1-cell stage shows replication fork stalling, low fork speed, and DNA synthesis extending into G2 phase. DNA damage foci consistent with collapsed replication forks, DSBs, and incomplete replication form in G2 in an ATR- and MRE11-dependent manner, followed by spontaneous chromosome breakage and segmental aneuploidies. Entry into mitosis with incomplete replication results in chromosome breakage, whole and segmental chromosome errors, micronucleation, chromosome fragmentation, and poor embryo quality. Sites of spontaneous chromosome breakage are concordant with sites of DNA synthesis in G2 phase, locating to gene-poor regions with long neural genes, which are transcriptionally silent at this stage of development. Thus, DNA replication stress in mammalian preimplantation embryos predisposes gene-poor regions to fragility, and in particular in the human embryo, to the formation of aneuploidies, impairing developmental potential.

Summary The correction of disease-causing mutations in human embryos could reduce the burden of inherited genetic disorders in the fetus and newborn, and improve the efficiency of fertility treatments for couples with disease-causing mutations in lieu of embryo selection. Here we evaluate the repair outcomes of a Cas9-induced double-strand break (DSB) introduced on the paternal chromosome at the EYS locus, which carries a frame-shift mutation causing blindness. We show that the most common repair outcome is microhomology-mediated end joining, which occurs during the first cell cycle in the zygote, leading to embryos with non-mosaic restoration of the reading frame. However, about half of the breaks remain unrepaired, resulting in an undetectable paternal allele and, upon entry into mitosis, loss of one or both chromosomal arms. Thus, Cas9 allows for the modification of chromosomal content in human embryos in a targeted manner, which may be useful for the prevention of trisomies. Highlights Cas9-mediated DSB induction and repair by end joining occurs within hours End joining provides an efficient way to restore reading frames without mosaicism Unrepaired DSBs persist through mitosis and result in frequent chromosome loss

Summary paragraph The ovary is the first organ to age in the human body, affecting both fertility and overall health in women 1-8 . However, the biological mechanisms underlying human ovarian ageing remain poorly understood. Here we performed single-nuclei multi-omics analysis of young and reproductively aged human ovaries to understand the molecular and cellular basis of ovarian ageing in humans. Our analysis reveals coordinated changes in transcriptomic output and chromatin accessibility across cell types during ageing, including elevated mTOR and MAPK signaling, decreased activity of the oxidative phosphorylation and DNA damage repair pathways, and an increased signature of cellular senescence. By constructing cell type-specific regulatory networks, we uncover enhanced activity of the transcription factor CEBPD across cell types in the aged ovary, with a corresponding significant loss of activity of most cell identity-associated transcription factors. Moreover, by performing integrative analyses of our single-nuclei multi-omics data with common genetic variants associated with age at natural menopause (ANM) from genome-wide association studies, we demonstrate a global impact of functional variants on changes in gene regulatory networks across ovarian cell types. Finally, we nominate about a dozen of functional non-coding variants, their target genes and cell types and regulatory mechanisms that underlie genetic association with ANM. This work provides a comprehensive multimodal landscape of human ovarian ageing and mechanistic insights into inherited variation of ANM.