Abstract Motivation A key benefit of long-read nanopore sequencing technology is the ability to detect modified DNA bases, such as 5-methylcytosine. Tools for effective visualization of data generated by this platform to assess changes in methylation profiles between samples from different experimental groups remains a challenge. Results To make visualization of methylation changes more straightforward, we developed the R/Bioconductor package NanoMethViz . Our software can handle methylation calls generated from a range of different methylation callers and manages large datasets using a compressed data format. To fully explore the methylation patterns in a dataset, NanoMethViz allows plotting of data at various resolutions. At the sample-level, we use multidimensional scaling to look at the relationships between methylation profiles in an unsupervised way. We visualize methylation profiles of classes of features such as genes or CpG islands by scaling them to relative positions and aggregating their profiles. At the finest resolution, we visualize methylation patterns across individual reads along the genome using the spaghetti plot, allowing users to explore particular genes or genomic regions of interest. In summary, our software makes the handling of methylation signal more convenient, expands upon the visualization options for nanopore data and works seamlessly with existing methylation analysis tools available in the Bioconductor project. Our software is available at https://bioconductor.org/packages/NanoMethViz .

Abstract Parents transmit genetic and epigenetic information to their offspring. Maternal effect genes regulate the offspring epigenome to ensure normal development. Here we report that the epigenetic regulator SMCHD1 has a maternal effect on Hox gene expression and skeletal patterning. Maternal SMCHD1, present in the oocyte and preimplantation embryo, prevents precocious activation of Hox genes postimplantation. Without maternal SMCHD1, highly penetrant posterior homeotic transformations occur in the embryo. Hox genes are decorated with Polycomb marks H2AK119ub and H3K27me3 from the oocyte throughout early embryonic development; however, loss of maternal SMCHD1 does not alter these marks. Therefore, we propose maternal SMCHD1 acts downstream of Polycomb marks to establish a chromatin state necessary for persistent epigenetic silencing and appropriate Hox gene expression later in the developing embryo. This is a striking role for maternal SMCHD1 in long-lived epigenetic effects impacting offspring phenotype.

Abstract The regulation of higher order chromatin structure is complex and dynamic; however we do not yet understand the full suite of mechanisms governing architecture. Here we reveal the non-canonical SMC protein Smchd1 as a novel regulator of long-range chromatin interactions, and add it to the canon of epigenetic proteins required for Hox gene regulation. The effect of losing Smchd1-dependent chromatin interactions has varying outcomes dependent on chromatin context. At autosomal targets transcriptionally sensitive to Smchd1 deletion, we find increased short-range interactions and ectopic enhancer activation. By contrast, the inactive X chromosome is transcriptionally refractive to Smchd1 ablation, despite chromosome-wide increases in short-range interactions. There we observe spreading of H3K27me3 domains into regions not normally decorated by this mark. Together these data suggest Smchd1 has the capacity to insulate the chromatin, thereby limiting access to other chromatin modifying proteins.

Application of Oxford Nanopore Technologies’ long-read sequencing platform to transcriptomic analysis is increasing in popularity. However, such analysis can be challenging due to small library sizes and high sequence error, which decreases quantification accuracy and reduces power for statistical testing. Here, we report the analysis of two nanopore sequencing RNA-seq datasets with the goal of obtaining gene-level and isoform-level differential expression information. A dataset of synthetic, spliced, spike-in RNAs (“sequins”) as well as a mouse neural stem cell dataset from samples with a null mutation of the epigenetic regulator Smchd1 were analysed using a mix of long-read specific tools for preprocessing together with established short-read RNA-seq methods. We used limma-voom to perform differential gene expression analysis, and the novel FLAMES pipeline to perform isoform identification and quantification, followed by DRIMSeq and limma-diffSplice (with stageR ) to perform differential transcript usage analysis. We compared results from the sequins dataset to the ground truth, and results of the mouse dataset to a previous short-read study on equivalent samples. Overall, our work shows that transcriptomic analysis of long-read nanopore data using short-read software and methods that are already in wide use can yield meaningful results.

Abstract The interplay between 3D chromatin architecture and gene silencing is incompletely understood. Here, we report a novel point mutation in the non-canonical SMC protein SMCHD1 that enhances its silencing capacity at endogenous developmental targets and at the facioscapulohumeral muscular dystrophy associated macro-array, D4Z4. Heightened SMCHD1 silencing perturbs developmental Hox gene activation, causing a homeotic transformation in mice. Paradoxically, the mutant SMCHD1 appears to enhance insulation against another epigenetic regulator complex, PRC2, while depleting long range chromatin interactions akin to what is observed in the absence of SMCHD1. These data suggest that SMCHD1’s role in long range chromatin interactions is not directly linked to gene silencing or insulating the chromatin, refining the model for how the different levels of SMCHD1-mediated chromatin regulation interact to bring about gene silencing in normal development and disease.

Low nephron number correlates with the development of hypertension and chronic kidney disease later in life. While intrauterine growth restriction caused by maternal low protein diet (LPD) is thought to be a significant cause of reduced nephron endowment in impoverished communities, its influence on the cellular and molecular processes which drive nephron formation are poorly understood. We conducted a comprehensive characterization of the impact of LPD on kidney development using tomographic and confocal imaging to quantify changes in branching morphogenesis and the cellular and morphological features of nephrogenic niches across development. These analyses were paired with single-cell RNA sequencing to dissect the transcriptional changes that LPD imposes during renal development. Differences in the expression of genes involved in metabolism were identified in most cell types we analyzed, yielding imbalances and shifts in cellular energy production. We further demonstrate that LPD impedes branching morphogenesis and significantly reduces the number of pretubular aggregates - the initial precursors to nephron formation. The most striking observation was that LPD changes the developmental trajectory of nephron progenitor cells, driving the formation of a partially committed cell population which likely reflects a failure of cells to commit to nephron formation and which ultimately reduces endowment. This unique profile of a fetal programming defect demonstrates that low nephron endowment arises from the pleiotropic impact of changes in branching morphogenesis and nephron progenitor cell commitment, the latter of which highlights a critical role for nutrition in regulating the cell fate decisions underpinning nephron endowment.While a mother's diet and behavior can negatively impact the number of nephrons in the kidneys of her offspring, the root cellular and molecular drivers of these deficits have not been rigorously explored. In this study we use advanced imaging and gene expression analysis in mouse models to define how a maternal low protein diet, analogous to that of impoverished communities, results in reduced nephron endowment. We find that low protein diet has pleiotropic effects on metabolism and the normal programs of gene expression. These profoundly impact the process of branching morphogenesis necessary to establish niches for nephron generation and change cell behaviors which regulate how and when nephron progenitor cells commit to differentiation.

Antigen-specific CD8+ T cell differentiation in response to infection is associated with specific changes in the chromatin landscape resulting in acquisition of the lineage-specific effector functions required for pathogen clearance. Lysine (K)-specific demethylase 6B (KDM6b) is a histone demethylase that specifically recognizes and removes methyl groups from K27 tri/dimethylation on histone 3. This histone modification is associated with a repressive transcriptional state, or, in combination with the active H3K4me3 mark, a bivalent epigenetic state. Resolution of bivalency at fundamental transcription factor loci has been shown to be a key mechanism for the initiation of CD8+ T cell differentiation. To begin to address the role of KDM6b in regulating H3K27me3 demethylation in CD8+ T cell responses to infection, a model whereby KDM6b levels can be modulated is needed. To address this, we developed a conditional short hairpin RNA (shRNA) mouse model targeting KDM6b. Here we demonstrate that KDM6b knockdown results in diminished naive, CD4+ and virus-specific CD4+ and CD8+ T cell response in response to influenza A infection. To address the molecular mechanism, we demonstrate that KDM6b knockdown resulted in reduced H3K27me3 removal from the Tbx21 bivalent promoter, compared to luciferase hairpin controls. Surprisingly, this did not necessarily impact T-BET expression, or resolution of other bivalent transcription factor promoters. These data suggest that KDM6b knockdown resulting in diminished IAV-specific CD8+ T cell responses may reflect a demethylase independent function.

Although female pluripotency significantly differs to male, complications with in vitro culture of female embryonic stem cells (ESC) have severely limited the use and study of these cells. We report a replenishable female ESC system, Xmas, that has enabled us to optimise a protocol for preserving the XX karyotype. Our protocol also improves male ESC fitness. We utilised our Xmas ESC system to screen for regulators of the female-specific process of X chromosome inactivation, revealing chromatin remodellers Smarcc1 and Smarca4 as key regulators of establishment of X inactivation. The remodellers create a nucleosome depleted region at gene promotors on the inactive X during exit from pluripotency, without which gene silencing fails. Our female ESC system provides a tractable model for XX ESC culture that will expedite study of female pluripotency and has enabled us to discover new features of the female-specific process of X inactivation.

The advent of high-throughput sequencing has allowed genome wide profiling of histone modifications by Chromatin ImmunoPrecipitation (ChIP) followed by sequencing (ChIP-seq). In this assay the histone mark of interest is enriched through a chromatin pull-down assay using an antibody for the mark. Due to imperfect antibodies and other factors, many of the sequenced fragments do not originate from the histone mark of interest, and are referred to as background reads. Background reads are not uniformly distributed and therefore control samples are usually used to estimate the background distribution at any given genomic position. The Encyclopedia of DNA Elements (ENCODE) Consortium guidelines suggest sequencing a whole cell extract (WCE, or "input") sample, or a mock ChIP reaction such as an IgG control, as a background sample. However, for a histone modification ChIP-seq investigation it is also possible to use a Histone H3 (H3) pull-down to map the underlying distribution of histones. In this paper we generated data from a hematopoietic stem and progenitor cell population isolated from mouse foetal liver to compare WCE and H3 ChIP-seq as control samples. The quality of the control samples is estimated by a comparison to pull-downs of histone modifications and to expression data. We find minor differences between WCE and H3 ChIP-seq, such as coverage in mitochondria and behaviour close to transcription start sites. Where the two controls differ, the H3 pull-down is generally more similar to the ChIP-seq of histone modifications. However, the differences between H3 and WCE have a negligible impact on the quality of a standard analysis.

Motivation: Summary graphics for RNA-sequencing and microarray gene expression analyses may contain upwards of tens of thousands of points. Details about certain genes or samples of interest are easily obscured in such dense summary displays. Incorporating interactivity into summary plots would enable additional information to be displayed on demand and facilitate intuitive data exploration. Results: The open-source Glimma package creates interactive graphics for exploring gene expression analysis with a few simple R commands. It extends popular plots found in the limma package, such as multi-dimensional scaling plots and mean-difference plots, to allow individual data points to be queried and additional annotation information to be displayed upon hovering or selecting particular points. It also offers links between plots so that more information can be revealed on demand. Glimma is widely applicable, supporting data analyses from a number of well established Bioconductor workflows (limma, edgeR and DESeq2) and uses D3/JavaScript to produce HTML pages with interactive displays that enable more effective data exploration by end-users. Results from Glimma can be easily shared between bioinformaticians and biologists, enhancing reporting capabilities while maintaining reproducibility. Availability and Implementation: The Glimma R package is available from http://bioconductor.org/packages/devel/bioc/html/Glimma.html.