Because nucleosomes are widely replaced by protamine in mature human sperm, the epigenetic contributions of sperm chromatin to embryo development have been considered highly limited. Here we show that the retained nucleosomes are significantly enriched at loci of developmental importance, including imprinted gene clusters, microRNA clusters, HOX gene clusters, and the promoters of stand-alone developmental transcription and signalling factors. Notably, histone modifications localize to particular developmental loci. Dimethylated lysine 4 on histone H3 (H3K4me2) is enriched at certain developmental promoters, whereas large blocks of H3K4me3 localize to a subset of developmental promoters, regions in HOX clusters, certain noncoding RNAs, and generally to paternally expressed imprinted loci, but not paternally repressed loci. Notably, trimethylated H3K27 (H3K27me3) is significantly enriched at developmental promoters that are repressed in early embryos, including many bivalent (H3K4me3/H3K27me3) promoters in embryonic stem cells. Furthermore, developmental promoters are generally DNA hypomethylated in sperm, but acquire methylation during differentiation. Taken together, epigenetic marking in sperm is extensive, and correlated with developmental regulators. During sperm development the histones that normally associate with DNA to package it into chromatin are largely exchanged for protamines, small proteins that form tight-packed DNA structures needed for normal sperm function. Thus nucleosomes, the histone-containing repeat units in chromatin, are notably rare in sperm. Rare but, according to a study utilizing high-resolution genomic techniques to localize the nucleosomes retained in mature human sperm, potentially important. The few remaining nucleosomes are significantly enriched at developmentally critical genes, and have distinctive histone modification patterns. This raises the possibility that they are retained in order to perform an epigenetic function in the embryo. During spermiogenesis, canonical histones are largely exchanged for protamines, and whether the rarely retained nucleosomes have any function has been unclear. Here, high-resolution genomic approaches are used to localize the nucleosomes retained in mature human sperm; they are found to be significantly enriched at developmentally important genes and to have distinctive patterns of histone modifications.

Summary

 Spermatogenesis requires intricate interactions between the germline and somatic cells. Within a given cross section of a seminiferous tubule, multiple germ and somatic cell types co-occur. This cellular heterogeneity has made it difficult to profile distinct cell types at different stages of development. To address this challenge, we collected single-cell RNA sequencing data from ∼35,000 cells from the adult mouse testis and identified all known germ and somatic cells, as well as two unexpected somatic cell types. Our analysis revealed a continuous developmental trajectory of germ cells from spermatogonia to spermatids and identified candidate transcriptional regulators at several transition points during differentiation. Focused analyses delineated four subtypes of spermatogonia and nine subtypes of Sertoli cells; the latter linked to histologically defined developmental stages over the seminiferous epithelial cycle. Overall, this high-resolution cellular atlas represents a community resource and foundation of knowledge to study germ cell development and in vivo gametogenesis.

Summary Conventional dogma presumes that protamine-mediated DNA compaction in sperm is achieved by passive electrostatics between DNA and the arginine-rich core of protamines. However, phylogenetic analysis reveals several non-arginine residues that are conserved within, but not across, species. The functional significance of these residues or post-translational modifications are poorly understood. Here, we investigated the functional role of K49, a rodent-specific lysine residue in mouse protamine 1 (P1) that is acetylated early in spermiogenesis and retained in sperm. In vivo , an alanine substitution (P1 K49A) results in ectopic histone retention, decreased sperm motility, decreased male fertility, and in zygotes, premature P1 removal from paternal chromatin. In vitro , the P1 K49A substitution decreases protamine-DNA binding and alters DNA compaction/decompaction kinetics. Hence, a single amino acid substitution outside the P1 arginine core is sufficient to profoundly alter protein function and developmental outcomes, suggesting that protamine non-arginine residues are essential to ensure reproductive fitness.

Summary Testicular development and function relies on interactions between somatic cells and the germline, but similar to other organs, regenerative capacity decline in aging and disease. Whether the adult testis maintains a reserve progenitor population with repair or regenerative capacity remains uncertain. Here, we characterized a recently identified mouse testis interstitial population expressing the transcription factor Tcf21. We found that Tcf21 + cells are bipotential somatic progenitors present in fetal testis and ovary, maintain adult testis homeostasis during aging, and act as reserve somatic progenitors following injury. In vitro , Tcf21 + cells are multipotent mesenchymal progenitors which form multiple somatic lineages including Leydig and myoid cells. Additionally, Tcf21 + cells resemble resident fibroblast populations reported in other organs having roles in tissue homeostasis, fibrosis, and regeneration. Our findings reveal that the testis, like other organs, maintains multipotent mesenchymal progenitors that can be leveraged in development of future therapies for hypoandrogenism and/or infertility. Highlights Multipotent Tcf21 + MPs can differentiate into somatic testis cell types Tcf21 + cells contribute to testis and ovary somatic cells during gonadal development Tcf21 + cells replenish somatic cells of the aging testis and in response to tissue injury Testis Tcf21 cells resemble resident fibroblast populations in multiple organs

Abstract The placenta mediates adverse pregnancy outcomes, including preeclampsia, which is characterized by gestational hypertension and proteinuria. Placental cell type heterogeneity in preeclampsia is not well-understood and limits mechanistic interpretation of bulk gene expression measures. We generated single-cell RNA-sequencing samples for integration with existing data to create the largest deconvolution reference of 19 fetal and 8 maternal cell types from placental villous tissue at term (n=15,532 cells). We deconvoluted eight published microarray case-control studies of preeclampsia (n=330). Deconvolution revealed excess extravillous trophoblasts and fewer mesenchymal cells. Adjustment for cellular composition reduced preeclampsia-associated differentially expressed genes (FDR<0.05) from 1,224 to 0, whereas pathway alterations exhibiting a metabolic adaptation to hypoxia were robust to cell type adjustment. Cellular composition explained 35.1% of the association between preeclampsia and FLT1 overexpression. Our findings indicate substantial placental cellular heterogeneity in preeclampsia that predicts previously observed bulk gene expression differences. Our deconvolution reference lays the groundwork for cellular heterogeneity-aware investigation into placental dysfunction and adverse birth outcomes.

Abstract Fallopian tube (FT) homeostasis requires dynamic regulation of heterogeneous cell populations and is disrupted in infertility and ovarian cancer. Here we applied single-cell RNAseq to profile 53,376 FT cells from 3 healthy pre-menopausal subjects. The resulting cell atlas contains 12 major cell types representing epithelial, stromal and immune compartments. Re-clustering of epithelial cells identified 4 ciliated and 6 non-ciliated secretory epithelial subtypes, two of which represent potential progenitor pools: one leading to mature secretory cells, while the other contributing to either ciliated cells or one of the stromal cell types. To understand how FT cell numbers and states change in a disease state, we analyzed ~15,000 cells from a hydrosalpinx sample and observed shifts in epithelial and stromal populations, and cell type-specific changes in extracellular matrix and TGF-β signaling, underscoring fibrosis pathophysiology. This resource is expected to facilitate future studies to understand fallopian tube homeostasis in normal development and disease.

ABSTRACT The human uterus is a complex and dynamic organ whose lining grows, remodels, and regenerates in every menstrual cycle or upon tissue damage. Here we applied single-cell RNA sequencing to profile more the 50,000 uterine cells from both the endometrium and myometrium of 5 healthy premenopausal individuals, and jointly analyzed the data with a previously published dataset from 15 subjects. The resulting normal uterus cell atlas contains more than 167K cells representing the lymphatic endothelium, blood endothelium, stromal, ciliated epithelium, unciliated epithelium, and immune cell populations. Focused analyses within each major cell type and comparisons with subtype labels from prior studies allowed us to document supporting evidence, resolve naming conflicts, and to propose a consensus annotation system of 39 subtypes. We release their gene expression centroids, differentially expressed genes, and mRNA patterns of literature-based markers as a shared community resource. We find many subtypes show dynamic changes over different phases of the cycle and identify multiple potential progenitor cells: compartment-wide progenitors for each major cell type, transitional cells that are upstream of other subtypes, and potential cross-lineage multipotent stromal progenitors that may be capable of replenishing the epithelial, stromal, and endothelial compartments. When compared to the healthy premenopausal samples, a postpartum and a postmenopausal uterus sample revealed substantially altered tissue composition, involving the rise or fall of stromal, endothelial, and immune cells. The cell taxonomy and molecular markers we report here are expected to inform studies of both basic biology of uterine function and its disorders. SIGNIFICANCE We present single-cell RNA sequencing data from seven individuals (five healthy pre-menopausal women, one post-menopausal woman, and one postpartum) and perform an integrated analysis of this data alongside 15 previously published scRNA-seq datasets. We identified 39 distinct cell subtypes across four major cell types in the uterus. By using RNA velocity analysis and centroid-centroid comparisons we identify multiple computationally predicted progenitor populations for each of the major cell compartments, as well as potential cross-compartment, multi-potent progenitors. While the function and interactions of these cell populations remain to be validated through future experiments, the markers and their "dual characteristics" that we describe will serve as a rich resource to the scientific community. Importantly, we address a significant challenge in the field: reconciling multiple uterine cell taxonomies being proposed. To achieve this, we focused on integrating historical and contemporary knowledge across multiple studies. By providing detailed evidence used for cell classification we lay the groundwork for establishing a stable, consensus cell atlas of the human uterus.

Abstract There is a well-established link between abnormal sperm chromatin states and poor motility, however, how these two processes are interdependent is unknown. Here, we identified a possible mechanistic insight by showing that Protamine 2, a nuclear DNA packaging protein in sperm, directly interacts with cytoskeletal protein Septin 12, which is associated with sperm motility. Septin 12 has several isoforms, and we show, that in the Prm2 -/- sperm, the short one (Mw 36 kDa) is mislocalized, while two long isoforms (Mw 40 and 41 kDa) are unexpectedly lost in Prm2 -/- sperm chromatin-bound protein fractions. Septin 12 co-immunoprecipitated with Protamine 2 in the testicular cell lysate of WT mice and with Lamin B1/B2/B3 in co-transfected HEK cells despite we did not observe changes in Lamin B2/B3 protein or SUN4 expression in Prm2 -/- testes. Furthermore, the Prm2 -/- sperm have on average a smaller sperm nucleus and aberrant acrosome biogenesis. In humans, patients with low sperm motility (asthenozoospermia) have imbalanced histone– protamine 1/2 ratio and modified levels of cytoskeletal proteins. We detected retained Septin 12 isoforms (Mw 40 and 41 kDa) in the sperm membrane, chromatin-bound and tubulin/mitochondria protein fractions, which was not true for healthy normozoospermic men. In conclusion, our findings expand the current knowledge regarding the connection between Protamine 2 and Septin 12 expression and localization, resulting in low sperm motility and morphological abnormalities.

Summary The CENP-A histone variant epigenetically defines centromeres, where its levels and locations are precisely maintained through mitotic cell divisions. However, differences in centromere CENP-A propagation in soma versus female/male germline remains poorly understood. Here, we generated C enpa mScarlet mice and followed CENP-A dynamics in gametes, zygotes, and embryos. We found that, unlike somatic cells, progenitor female and male germ cells carry high centromeric CENP-A levels that decrease upon terminal differentiation. The reduction in CENP-A is differentially regulated between sexes, resulting in a ten-fold higher level in oocytes compared to sperm. In the zygote, the parent-of-origin CENP-A asymmetry is equalized prior to initial S-phase by redistribution of nuclear CENP-A from maternal to paternal chromosomes. Redistribution of CENP-A requires both CDK1/2 and PLK1 centromeric machinery. These experiments provide direct evidence for resetting of epigenetically imprinted centromeres in early pronuclear stage embryos and imply a mechanism to sense the non-equivalency of parental chromosomes. Highlights Increased CENP-A density at centromeres is a conserved property of germline stem cells while CENP-A reduction is coincident with germ cell differentiation Paternal and maternal CENP-A containing nucleosomes are intergenerationally inherited CENP-A density at centromeres differs between male and female mature gametes Upon fertilization, maternal nuclear CENP-A is redistributed to equalize with parental CENP-A CENP-C and MIS18BP1 are asymmetrically enriched in the parental pronuclei in accordance with CENP-A asymmetry. Licensing for centromere equalization begins before zygotic DNA replication

Abstract Androgen receptor (AR) signaling in Sertoli cells is known to be important for germ-cell progression through meiosis, but the extent to which androgens indirectly regulates specific meiosis stages is not known. Here, we combine synchronization of spermatogenesis, cytological analyses and single-cell RNAseq (scRNAseq) in the S ertoli c ell a ndrogen r eceptor k nock o ut (SCARKO) mutant and control mice, and demonstrate that SCARKO mutant spermatocytes exhibited normal expression and localization of key protein markers of meiotic prophase events, indicating that initiation of meiotic prophase is not androgen dependent. However, spermatocytes from SCARKO testes failed to acquire competence for the meiotic division phase. ScRNAseq analysis of wild type and SCARKO mutant testes revealed a molecular transcriptomic block in an early meiotic prophase state (leptotene/zygotene) in mutant germ cells, and identified several misregulated genes in SCARKO Sertoli cells, many of which have been previously implicated in male infertility. Together, our coordinated cytological and single-cell RNAseq analyses identified germ-cell intrinsic and extrinsic genes responsive to Sertoli-cell androgen signaling that promotes cellular states permissive for the meiotic division phase.