SUMMARY We have developed a mouse Infinium DNA methylation array that contains 297,415 probes to capture the diversity of mouse DNA methylation biology. We present a mouse DNA methylation atlas as a rich reference resource of 1,239 DNA samples encompassing distinct tissues, strains, age, sex, and pathologies. We describe applications for comparative epigenomics, genomic imprinting, epigenetic inhibitors, PDX assessment, backcross tracing, and epigenetic clocks. We dissect DNA methylation processes associated with differentiation, aging and tumorigenesis. Notably, we find that tissue-specific methylation signatures localize to binding sites for transcription factors controlling the corresponding tissue development. Age-associated hypermethylation is enriched at regions of Polycomb repression, while hypomethylation is enhanced at regions bound by cohesin complex members. Apc Min/+ polyp-associated hypermethylation affects enhancers regulating intestinal differentiation, while hypomethylation targets AP-1 binding sites. This MM285 mouse array is widely accessible to the research community, and will accelerate future high sample-throughput studies in this important model organism.

The Infinium DNA Methylation BeadChips have significantly contributed to population-scale epigenetics research by enabling epigenome-wide trait association discoveries. Here, we design, describe, and experimentally verify a new iteration of this technology, the Methylation Screening Array (MSA), to focus on human trait screening and discovery. This array utilizes extensive data from previous Infinium platform-based epigenome-wide association studies (EWAS). It incorporates knowledge from the latest single-cell and cell type-resolution whole genome methylome profiles. The MSA is engineered to achieve scalable screening of epigenetics-trait association in an ultra-high sample throughput. Our design encompassed diverse human trait associations, including those with genetic, cellular, environmental, and demographical variables and human diseases such as genetic, neurodegenerative, cardiovascular, infectious, and immune diseases. We comprehensively evaluated this array's reproducibility, accuracy, and capacity for cell-type deconvolution and supporting 5-hydroxymethylation profiling in diverse human tissues. Our first atlas data using this platform uncovered the complex chromatin and tissue contexts of DNA modification variations and genetic variants linked to human phenotypes.

The Infinium BeadChip is the most widely used DNA methylome assay technology for population-scale epigenome profiling. However, the standard workflow requires over 200 ng of input DNA, hindering its application to small cell-number samples, such as primordial germ cells. We developed experimental and analysis workflows to extend this technology to suboptimal input DNA conditions, including ultra-low input down to single cells. DNA preamplification significantly enhanced detection rates to over 50% in five-cell samples and ∼25% in single cells. Enzymatic conversion also substantially improved data quality. Computationally, we developed a method to model the background signal's influence on the DNA methylation level readings. The modified detection p -values calculation achieved higher sensitivities for low-input datasets and was validated in over 100,000 public datasets with diverse methylation profiles. We employed the optimized workflow to query the demethylation dynamics in mouse primordial germ cells available at low cell numbers. Our data revealed nuanced chromatin states, sex disparities, and the role of DNA methylation in transposable element regulation during germ cell development. Collectively, we present comprehensive experimental and computational solutions to extend this widely used methylation assay technology to applications with limited DNA.