Abstract Transmission of 5-methylcytosine (5mC) from one cell generation to the next plays a key role in regulating cellular identity in mammalian development and diseases. While recent work has shown that the activity of DNMT1, the protein responsible for the stable inheritance of 5mC from mother to daughter cells, is imprecise; it remains unclear how the fidelity of DNMT1 is tuned in different genomic and cell state contexts. Here we describe Dyad-seq, a method that combines enzymatic detection of modified cytosines with nucleobase conversion techniques to quantify the genome-wide methylation status of cytosines at the resolution of individual CpG dinucleotides. We find that the fidelity of DNMT1-mediated maintenance methylation is directly related to the local density of DNA methylation, and for genomic regions that are lowly methylated, histone modifications can dramatically alter the maintenance methylation activity. Further, to gain deeper insights into the methylation and demethylation turnover dynamics, we extended Dyad-seq to quantify all combinations of 5mC and 5-hydroxymethylcytosine (5hmC) at individual CpG dyads to show that TET proteins preferentially hydroxymethylate only one of the two 5mC sites in a symmetrically methylated CpG dyad rather than sequentially convert both 5mC to 5hmC. To understand how cell state transitions impact DNMT1-mediated maintenance methylation, we scaled the method down and combined it with the measurement of mRNA to simultaneously quantify genome-wide methylation levels, maintenance methylation fidelity and the transcriptome from the same cell (scDyad&T-seq). Applying scDyad&T-seq to mouse embryonic stem cells transitioning from serum to 2i conditions, we observe dramatic and heterogenous demethylation and the emergence of transcriptionally distinct subpopulations that are closely linked to the cell-to-cell variability in loss of DNMT1-mediated maintenance methylation activity, with regions of the genome that escape 5mC reprogramming retaining high levels of maintenance methylation fidelity. Overall, our results demonstrate that while distinct cell states can substantially impact the genome-wide activity of the DNA methylation maintenance machinery, locally there exists an intrinsic relationship between DNA methylation density, histone modifications and DNMT1-mediated maintenance methylation fidelity that is independent of cell state.

Abstract The Integrated Stress Response (ISR) is a conserved signaling network that detects cellular damage and computes adaptive or terminal outcomes. Understanding the mechanisms that underly these computations has been difficult because natural stress inputs activate multiple parallel signaling pathways and classical ISR inducers have pleiotropic effects. To overcome this challenge, we engineered photo-switchable control over the ISR stress sensor kinase PKR (opto-PKR), which allows virtual control of the ISR. Using controlled light inputs to activate opto-PKR we traced information flow in the ISR both globally, in the transcriptome, and for key ISR effectors. Our analyses revealed a biphasic, input-proportional transcriptional response with two dynamic modes, transient and gradual, that correspond to adaptive and terminal ISR outcomes. Using this data, we constructed an ordinary differential equation (ODE) model of the ISR which predicted system hysteresis dependent on prior stress durations and that stress memory encoding may lead to resilience. Our results demonstrate that the input dynamics of the ISR encode information in stress levels, durations, and the timing between stress encounters.

Abstract The emergence of different cell types and the role of the epigenome in regulating transcription is a key yet understudied event during human gastrulation. Investigating these questions remain infeasible due to the lack of availability of embryos at these stages of development. Further, human gastrulation is marked by dynamic changes in cell states that are difficult to isolate at high purity, thereby making it challenging to map how epigenetic reprogramming impacts gene expression and cellular phenotypes. To overcome these limitations, we describe scMAT-seq, a high-throughput one-pot single-cell multiomics technology to simultaneously quantify DNA methylation, DNA accessibility and the transcriptome from the same cell. Applying scMAT-seq to 3D human gastruloids, we characterized the epigenetic landscape of major cell types corresponding to the germ layers and primordial germ cell-like cells (hPGCLC). As the identity of the progenitors that give rise to human PGCLCs remain unclear, we used this system to discover that the progenitors emerge from epiblast cells and show transient characteristics of both amniotic- and mesoderm-like cells, before getting specified towards hPGCLCs. Finally, as cells differentiate along different lineages during gastrulation, we surprisingly find that while changes in DNA accessibility are tightly correlated to both upregulated and downregulated genes, reorganization of gene body DNA methylation is strongly related to only genes that get downregulated, with genes that turn on displaying a lineage trajectory-dependent correlation with DNA methylation. Collectively, these results demonstrate that scMAT-seq is a high-throughput and sensitive approach to elucidate epigenetic regulation of gene expression in complex systems such as human gastrulation that are marked by rapidly transitioning cell states.

The epigenome plays a critical role in regulating gene expression in mammalian cells. However, understanding how cell-to-cell heterogeneity in the epigenome influences gene expression variability remains a major challenge. Here we report a novel method for simultaneous single-cell quantification of protein-DNA contacts with DamID and transcriptomics (scDamID&T). This method enables quantifying the impact of protein-DNA contacts on gene expression from the same cell. By profiling lamina-associated domains (LADs) in human cells, we reveal different dependencies between genome-nuclear lamina (NL) association and gene expression in single cells. In addition, we introduce the E. coli methyltransferase, Dam, as an in vivo marker of chromatin accessibility in single cells and show that scDamID&T can be utilized as a general technology to identify cell types in silico while simultaneously determining the underlying gene-regulatory landscape. With this strategy the effect of chromatin states, transcription factor binding, and genome organization on the acquisition of cell-type specific transcriptional programs can be quantified.

Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPR)-associated genome editing (GE) components (e.g., nucleases, guide RNAs (gRNAs), and plasmids) are used to genetically modify cells during development of ex vivo genome-edited cell therapies. Prolonged presence of GE components may increase the risk of unintended genome modifications (e.g., off-target editing and chromosomal rearrangements). This risk is a function of the stability of the GE components, culture conditions (i.e., culture length, media changes, etc.), and the nature of the GE component (i.e., only plasmids can be integrated into a cell's genome). Testing for residual GE components on ex vivo genetically edited drug products is generally recommended in current regulatory guidance (CBER 2024). For allogenic cell therapies derived from induced pluripotent stem cells (iPSC), cells typically undergo clonal selection and extensive culturing following completion of genome editing. This post-engineering clonal selection substantially reduces the amount of residual GE components while the long-duration cell culture significantly reduces the presence of active residual GE components. Here we present a case in which the need for testing of the drug product for residual GE components has been eliminated.

DNA methylation (5mC) is central to cellular identity and the global erasure of 5mC from the parental genomes during preimplantation mammalian development is critical to reset the methylome of terminally differentiated gametes to the pluripotent cells in the blastocyst. While active and passive modes of demethylation have both been suggested to play a role in this process, the relative contribution of these two mechanisms to genome-wide 5mC erasure remains unclear. Here, we report a new high-throughput single-cell method (scMspJI-seq) that enables strand-specific quantification of 5mC, thereby allowing us to systematically probe the dynamics of global demethylation. First, when applied to hybrid mouse embryonic stem cells, we identified substantial cell-to-cell strand-specific 5mC heterogeneity, with a small group of cells displaying asymmetric levels of 5mCpG between the two DNA strands of a chromosome suggesting loss of maintenance methylation. Next, using scMspJI-seq in preimplantation mouse embryos, we discovered that methylation maintenance is active till the 16-cell stage followed by passive demethylation in a fraction of cells within the early blastocyst at the 32-cell stage of development. Finally, we found that human preimplantation embryos qualitatively show temporally delayed yet similar demethylation dynamics as mouse preimplantation embryos. Collectively, these results demonstrate that scMspJI-seq is a sensitive and cost-effective method to map the strand-specific genome-wide patterns of 5mC in single cells, thereby enabling quantitative investigation of methylation dynamics in developmental systems.

Abstract Hypertrophy Cardiomyopathy (HCM) is the most prevalent hereditary cardiovascular disease – affecting >1:500 individuals. Advanced forms of HCM clinically present with hypercontractility, hypertrophy and fibrosis. Several single-point mutations in b-myosin heavy chain (MYH7) have been associated with HCM and increased contractility at the organ level. Different MYH7 mutations have resulted in increased, decreased, or unchanged force production at the molecular level. Yet, how these molecular kinetics link to cell and tissue pathogenesis remains unclear. The Hippo Pathway, specifically its effector molecule YAP, has been demonstrated to be reactivated in pathological hypertrophic growth. We hypothesized that changes in force production (intrinsically or extrinsically) directly alter the homeostatic mechano-signaling of the Hippo pathway through changes in stresses on the nucleus. Using human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (hiPSC-CMs), we asked whether homeostatic mechanical signaling through the canonical growth regulator, YAP, is altered 1) by changes in the biomechanics of HCM mutant cardiomyocytes and 2) by alterations in the mechanical environment. We use genetically edited hiPSC-CM with point mutations in MYH7 associated with HCM, and their matched controls, combined with micropatterned traction force microscopy substrates to confirm the hypercontractile phenotype in MYH7 mutants. We next modulate contractility in healthy and disease hiPSC-CMs by treatment with positive and negative inotropic drugs and demonstrate a correlative relationship between contractility and YAP activity. We further demonstrate the activation of YAP in both HCM mutants and healthy hiPSC-CMs treated with contractility modulators is through enhanced nuclear deformation. We conclude that the overactivation of YAP, possibly initiated and driven by hypercontractility, correlates with excessive CCN2 secretion (connective tissue growth factor), enhancing cardiac fibroblast/myofibroblast transition and production of known hypertrophic signaling molecule TGFβ. Our study suggests YAP being an indirect player in the initiation of hypertrophic growth and fibrosis in HCM. Our results provide new insights into HCM progression and bring forth a testbed for therapeutic options in treating HCM. Graphical Abstract