ABSTRACT DNA methylation (DNAme) serves a stable gene regulatory function in somatic cells (1). In the germ line and during early embryogenesis, however, DNAme undergoes global erasure and re-establishment to support germ cell and embryonic development (2). While de novo DNAme acquisition during male germ cell development is essential for setting genomic DNA methylation imprints, other intergenerational roles for paternal DNAme in defining embryonic chromatin after fertilization are unknown. To approach this question, we reduced levels of DNAme in developing male germ cells through conditional gene deletion of the de novo DNA methyltransferases DNMT3A and DNMT3B in undifferentiated spermatogonia. We observed that DNMT3A serves a DNAme maintenance function in undifferentiated spermatogonia while DNMT3B catalyzes de novo DNAme during spermatogonial differentiation. Mutant male germ cells nevertheless completed their differentiation to sperm. Failing de novo DNAme in Dnmt3a / Dnmt3b double deficient spermatogonia is associated with increased nucleosome occupancy in mature sperm, preferentially at sites with higher CpG content, supporting the model that DNAme modulates nucleosome retention in sperm (3). To assess the impact of altered sperm chromatin in the formation of embryonic chromatin, we measured H3K4me3 occupancy at paternal and maternal alleles in 2-cell embryos using a newly developed transposon-based tagging assay for modified chromatin. Our data show that reduced DNAme in sperm renders paternal alleles permissive for H3K4me3 establishment in early embryos, independently of possible paternal inheritance of sperm born H3K4me3. Together, this study provides first evidence that paternally inherited DNAme directs chromatin formation during early embryonic development.

Telomeric small RNAs related to PIWI-interacting RNAs (piRNAs) were discovered in different species, however, their role in germline-specific telomere function remains poorly understood. Using a Drosophila model, we show that the piRNA pathway provides a strong germline-specific mechanism of telomere homeostasis. We show that telomeric retrotransposon arrays belong to a unique class of dual-strand piRNA clusters whose transcripts, required for telomere elongation, serve simultaneously as piRNA precursors and their only targets. However, the ability to produce piRNAs and bind Rhino - a germline-specific homolog of heterochromatic protein 1 (HP1) - varies along telomeres. Most likely, this heterogeneity is determined by the peculiarities of telomeric retrotransposons themselves. piRNAs play a pivotal role in the establishment and maintenance of telomeric and subtelomeric chromatin in the germline facilitating loading of HP1 and histone 3 lysine 9 trimethylation mark - highly conservative telomere components - at different telomeric regions. piRNA pathway disruption results in telomere dysfunction characterized by a loss of heterochromatic components and translocation of telomeres from the periphery to the nuclear interior but does not affect the telomere end capping.

Abstract In the germ line and during early embryogenesis, DNA methylation (DNAme) undergoes global erasure and re-establishment to support germ cell and embryonic development. While DNAme acquisition during male germ cell development is essential for setting genomic DNA methylation imprints, other intergenerational roles for paternal DNAme in defining embryonic chromatin are unknown. Through conditional gene deletion of the de novo DNA methyltransferases Dnmt3a and/or Dnmt3b , we observe that DNMT3A primarily safeguards against DNA hypomethylation in undifferentiated spermatogonia, while DNMT3B catalyzes de novo DNAme during spermatogonial differentiation. Failing de novo DNAme in Dnmt3a / Dnmt3b double deficient spermatogonia is associated with increased nucleosome occupancy in mature sperm, preferentially at sites with higher CpG content, supporting the model that DNAme modulates nucleosome retention in sperm. To assess the impact of altered sperm chromatin in formatting embryonic chromatin, we measure H3K4me3 occupancy at paternal and maternal alleles in 2-cell embryos using a transposon-based tagging approach. Our data show that reduced DNAme in sperm renders paternal alleles permissive for H3K4me3 establishment in early embryos, independently of possible paternal inheritance of sperm born H3K4me3. Together, this study provides evidence that paternally inherited DNAme directs chromatin formation during early embryonic development.