Abstract Background Polychlorinated biphenyls (PCBs) are developmental neurotoxicants implicated as environmental risk factors for neurodevelopmental disorders (NDD), including autism spectrum disorders (ASD). Objective We examined the effects of prenatal exposure to a human-relevant mixture of PCBs on the DNA methylome of fetal mouse brain and placenta to determine if there was a shared subset of differentially methylated regions (DMRs). Methods A PCB mixture formulated to model the 12 most abundant congeners detected in the serum of pregnant women from a prospective high-risk ASD cohort was administered to female mice prior to and during pregnancy. Whole-genome bisulfite sequencing (WGBS) was performed to assess genome-wide DNA methylation profiles of placenta and brain on gestational day 18. Results We found thousands of significant (empirical p < 0.05) DMRs distinguishing placentas and brains from PCB-exposed embryos from sex-matched vehicle controls. In both placenta and brain, PCB-associated DMRs were significantly ( p < 0.005) enriched for functions related to neurodevelopment, cellular adhesion, and cellular signaling, and significantly (Odds Ratio > 2.4, q < 0.003) enriched for bivalent chromatin marks. The placenta and brain PCB DMRs overlapped significantly (Z-score = 4.5, p = 0.0001) by genomic coordinate and mapped to a shared subset of genes significantly ( q < 0.05) enriched for Wnt signaling, Slit/Robo signaling, and genes differentially expressed in multiple NDD/ASD models. The placenta and brain DMRs also significantly ( q < 0.05) overlapped by genomic coordinate with brain samples from humans with Rett syndrome and Dup15q syndrome. Discussion These results demonstrate that placenta can be used as a surrogate for embryonic brain DNA methylation changes over genes relevant to NDD/ASD in a mouse model of prenatal PCB exposure.

Abstract Neonatal dried blood spots (NDBS) are a widely banked sample source that enable retrospective investigation into early-life molecular events. Here, we performed low-pass whole genome bisulfite sequencing (WGBS) of 86 NDBS DNA to examine early-life Down syndrome (DS) DNA methylation profiles. DS represents an example of genetics shaping epigenetics, as multiple array-based studies have demonstrated that trisomy 21 is characterized by genome-wide alterations to DNA methylation. By assaying over 24 million CpG sites, thousands of genome-wide significant ( q < 0.05) DMRs that distinguished DS from typical development (TD) and idiopathic developmental delay (DD) were identified. Machine learning feature selection refined these DMRs to 22 loci. The DS DMRs mapped to genes involved in neurodevelopment, metabolism, and transcriptional regulation. Based on comparisons to previous DS methylation studies and reference epigenomes, the hypermethylated DS DMRs were significantly ( q < 0.05) enriched across tissues while the hypomethylated DS DMRs were significantly ( q < 0.05) enriched for blood-specific chromatin states. A ∼28 kb block of hypermethylation was observed on chromosome 21 in the RUNX1 locus, which encodes a hematopoietic transcription factor whose binding motif was the most significantly enriched ( q < 0.05) overall and specifically within the hypomethylated DMRs. Finally, we also identified DMRs that distinguished DS NDBS based on the presence or absence of congenital heart disease (CHD). Together, these results not only demonstrate the utility of low-pass WGBS on NDBS samples for epigenome-wide association studies, but also provide new insights into the early-life mechanisms of epigenomic dysregulation resulting from trisomy 21.

Abstract Health outcomes are frequently shaped by difficult to dissect inter-relationships between biological, behavioral, social, and environmental factors. DNA methylation patterns reflect such multi-variate intersections, providing a rich source of novel biomarkers and insight into disease etiologies. Recent advances in whole-genome bisulfite sequencing (WGBS) enable investigation of DNA methylation over all genomic CpGs, but existing bioinformatic approaches lack accessible system-level tools. Here, we develop the R package Comethyl, for weighted gene correlation network analysis (WGCNA) of user-defined genomic regions that generates modules of comethylated regions, which are then tested for correlations with sample traits. First, regions are defined by CpG genomic location or regulatory annotation and filtered based on CpG count, sequencing depth, and variability. Next, correlation networks are used to find modules of interconnected nodes using methylation values within the selected regions. Each module containing multiple comethylated regions is reduced in complexity to a single eigennode value, which is then tested for correlations with experimental metadata. Comethyl has the ability to cover the noncoding regulatory regions of the genome with high relevance to interpretation of genome-wide association studies and integration with other types of epigenomic data. We demonstrate the utility of Comethyl on a dataset of male cord blood samples from newborns later diagnosed with autism spectrum disorder (ASD) versus typical development. Comethyl successfully identified an ASD-associated module containing gene regions with brain glial functions. Comethyl is expected to be useful in uncovering the multi-variate nature of health disparities for a variety of common disorders. Comethyl is available at github.com/cemordaunt/comethyl . Description of the Authors Charles E. Mordaunt , Ph.D. developed Comethyl while a postdoctoral fellow in the department of Medical Microbiology and Immunology at UC Davis. He is currently a Computational Biologist at GSK. Julia S. Mouat is a doctoral student in the Integrative Genetics and Genomics graduate group at UC Davis with interests in health disparities and intergenerational epigenetic risk factors for autism spectrum disorders. Rebecca J. Schmidt , Ph.D. is an Associate Professor of Public Health Sciences at UC Davis, with expertise in the use of epigenetics in epidemiology and neurodevelopmental disorders. Janine M. LaSalle , Ph.D. is a Professor of Medical Microbiology and Immunology, Co-Director of the Perinatal Origins of Disparities Center, and Deputy Director of the Environmental Health Sciences Center at UC Davis, with expertise in epigenomics and neurodevelopmental disorders.

Abstract Neurodevelopmental disorders (NDDs) impact 7% to 14% of all children in developed countries and are one of the leading causes of lifelong disability. Epigenetic modifications are poised at the interface between genes and environment and are predicted to reveal insight into the gene networks, cell types, and developmental timing of NDD etiology. Whole-genome bisulfite sequencing was used to examine DNA methylation in 49 human cortex samples from three different NDDs (autism spectrum disorder, Rett syndrome, and Dup15q syndrome) and matched controls. Integration of methylation differences across NDDs with relevant genomic and genetic datasets revealed differentially methylated regions (DMRs) unique to each type of NDD but with shared regulatory functions in neurons and microglia. DMRs were significantly enriched for known NDD genetic risk factors, including both common inherited and rare de novo variants. Weighted region co-methylation network analysis revealed a module related to NDD diagnosis and enriched for microglial regulatory regions. Together, these results demonstrate an epigenomic signature of NDDs in human cortex shared with known genetic and immune etiological risk. Epigenomic insights into cell types and gene regulatory regions will aid in defining therapeutic targets and early biomarkers at the interface of genetic and environmental NDD risk factors.

Abstract Maternal obesity during pregnancy is associated with neurodevelopmental disorder (NDD) risk. We utilized integrative multi-omics to examine maternal obesity effects on offspring neurodevelopment in rhesus macaques by comparison to lean controls and two interventions. Differentially methylated regions (DMRs) from longitudinal maternal blood-derived cell-free fetal DNA (cffDNA) significantly overlapped with DMRs from infant brain. The DMRs were enriched for neurodevelopmental functions, methylation-sensitive developmental transcription factor motifs, and human NDD DMRs identified from brain and placenta. Brain and cffDNA methylation levels from a large region overlapping mir-663 correlated with maternal obesity, metabolic and immune markers, and infant behavior. A DUX4 hippocampal co-methylation network correlated with maternal obesity, infant behavior, infant hippocampal lipidomic and metabolomic profiles, and maternal blood measurements of DUX4 cffDNA methylation, cytokines, and metabolites. Ultimately, maternal obesity altered infant brain and behavior, and these differences were detectable in pregnancy through integrative analyses of cffDNA methylation with immune and metabolic biomarkers.

Abstract Background Maternal care during early-life plays a crucial role in the sculpting of the mammalian brain. Augmented maternal care during the first postnatal week promotes life-long stress resilience and improved memory compared with the outcome of routine rearing conditions. Recent evidence suggests that this potent phenotypic change commences with altered synaptic connectivity of stress sensitive hypothalamic neurons. However, the epigenomic basis of the long-lived consequences is not well understood. Methods Here, we employed whole-genome bisulfite sequencing (WGBS), RNA-sequencing (RNA-seq), and a multiplex microRNA (miRNA) assay to examine the effects of augmented maternal care on DNA cytosine methylation, gene expression, and miRNA expression. Results A significant decrease in global DNA methylation was observed in offspring hypothalamus following a week of augmented maternal care, corresponding to differential methylation and expression of thousands of genes. Differentially methylated and expressed genes were enriched for functions in neurotransmission, neurodevelopment, protein synthesis, and oxidative phosphorylation, as well as known stress response genes. Twenty prioritized genes with three lines of evidence (methylation, expression, and altered miRNA target) were identified as highly relevant to the stress resiliency phenotype. Conclusions This combined unbiased approach enabled the discovery of novel genes and gene pathways that advance our understanding of the central epigenomic mechanisms underlying the profound effects of maternal care on the developing brain.

Prader-Willi syndrome (PWS), an imprinted neurodevelopmental disorder characterized by metabolic, sleep, and neuropsychiatric features, is caused by the loss of paternal SNORD116, containing only noncoding RNAs. The primary SNORD116 transcript is processed into small nucleolar RNAs (snoRNAs), which localize to nucleoli, and their spliced host gene 116HG, which is retained at its site of transcription. While functional complementation of the SNORD116 noncoding RNAs is a desirable goal for treating PWS, the mechanistic requirements of SNORD116 RNA processing are poorly understood. Here we developed and tested a novel transgenic mouse which ubiquitously expresses Snord116 on both a wild-type and Snord116 paternal deletion (Snord116+/-) background. Interestingly, while the Snord116 transgene was ubiquitously expressed in multiple tissues, splicing of the transgene and production of snoRNAs was limited to brain tissues. Knockdown of Rbfox3, encoding neuron-specific splicing factor NeuN, in Snord116+/--derived neurons reduced splicing of the transgene in neurons. RNA fluorescent in situ hybridization for 116HG revealed a single significantly larger signal in transgenic mice, demonstrating colocalization of transgenic and endogenous 116HG RNAs. Similarly, significantly increased snoRNA levels were detected in transgenic neuronal nucleoli, indicating that transgenic Snord116 snoRNAs were effectively processed and localized. In contrast, neither transgenic 116HG nor snoRNAs were detectable in either non-neuronal tissues or Snord116+/- neurons. Together, these results demonstrate that exogenous expression and neuron-specific splicing of the Snord116 locus are insufficient to rescue the genetic deficiency of Snord116 paternal deletion. Elucidating the mechanisms regulating Snord116 processing and localization are essential to develop effective gene replacement therapies for PWS.

The genomically imprinted UBE3A gene encodes a E3 ubiquitin ligase whose loss from the maternal allele leads to the neurodevelopmental disorder Angelman syndrome. However, the mechanisms by which loss of maternal UBE3A contribute to severe neurodevelopmental phenotypes are poorly understood. Previous studies of UBE3A function have focused on mouse models or single targets, but these approaches do not accurately reflect the complexity of imprinted gene networks in the brain nor the systems-level cognitive dysfunctions in Angelman syndrome. We therefore utilized a systems biology approach to better elucidate how UBE3A loss impacts the early postnatal brain in a novel CRISPR/Cas9 engineered rat Angelman model of a complete Ube3a deletion. Strand-specific transcriptome analysis of offspring derived from maternally or paternally inherited Ube3a deletions revealed the expected parental expression patterns of Ube3a sense and antisense transcripts by postnatal day 2 (P2) in hypothalamus and day 9 (P9) in cortex, when compared to wild-type sex-matched littermates. The dependency of genome-wide effects on parent-of-origin, Ube3a genotype, and time (P2, P9) was investigated through transcriptome (RNA-seq of cortex and hypothalamus) and methylome (whole genome bisulfite sequencing of hypothalamus). Weighted gene co-expression and co-methylation network analyses identified co-regulated networks in maternally inherited Ube3a deletion offspring correlated with postnatal age that were enriched in developmental processes including Wnt signaling, synaptic regulation, neuronal and glial functions, epigenetic regulation, ubiquitin, circadian entrainment, and splicing. Furthermore, using this novel rat model, we showed that loss of the paternally expressed Ube3a antisense transcript resulted in both unique and overlapping dysregulated gene pathways, predominantly at the level of differential methylation, when compared to loss of maternal Ube3a. Together, these results provide the most holistic examination to date of the molecular impacts of UBE3A loss in brain, supporting the existence of interactive epigenetic networks between maternal and paternal transcripts at the Ube3a locus.

Human cell line models, including the neuronal precursor line LUHMES, are important for investigating developmental transcriptional dynamics within imprinted regions, particularly the 15q11-q13 Angelman (AS) and Prader-Willi (PWS) syndrome locus. AS results from loss of maternal UBE3A in neurons, where the paternal allele is silenced by a convergent antisense transcript UBE3A-ATS, a lncRNA that normally terminates at PWAR1 in non-neurons. qRTPCR analysis confirmed the exclusive and progressive increase in UBE3A-ATS in differentiating LUHMES neurons, validating their use for studying UBE3A silencing. Genome-wide transcriptome analyses revealed changes to 11,834 genes during neuronal differentiation, including the upregulation of most genes within the 15q11-q13 locus. To identify dynamic changes in chromatin loops linked to transcriptional activity, we performed a HiChIP validated by 4C, which identified two neuron-specific CTCF loops between MAGEL2-SNRPN and PWAR1-UBE3A. To determine if allele-specific differentially methylated regions (DMR) may be associated with CTCF loop anchors, whole genome long-read nanopore sequencing was performed. We identified a paternally hypomethylated DMR near the SNRPN upstream loop anchor exclusive to neurons and a paternally hypermethylated DMR near the PWAR1 CTCF anchor exclusive to undifferentiated cells, consistent with increases in neuronal transcription. Additionally, DMRs near CTCF loop anchors were observed in both cell types, indicative of allele-specific differences in chromatin loops regulating imprinted transcription. These results provide an integrated view of the 15q11-q13 epigenetic landscape during LUHMES neuronal differentiation, underscoring the complex interplay of transcription, chromatin looping, and DNA methylation. They also provide insights for future therapeutic approaches for AS and PWS.

Abstract Down syndrome (DS) is characterized by a genome-wide profile of differential DNA methylation that is skewed towards hypermethylation in most tissues, including brain. The molecular mechanisms involve the overexpression of genes related to DNA methylation on chromosome 21. Here, we stably overexpressed the chromosome 21 gene DNA methyltransferase 3L ( DNMT3L ) in the human SH-SY5Y neuroblastoma cell line and assayed DNA methylation at over 26 million CpGs by whole genome bisulfite sequencing at three different developmental phases (undifferentiated, differentiating, and differentiated). DNMT3L overexpression resulted in global CpG and CpG island hypermethylation as well as thousands of differentially methylated regions (DMRs). The DNMT3L DMRs were skewed towards hypermethylation and mapped to genes involved in neurodevelopment, cellular signaling, and gene regulation. Merging the DMRs into a consensus profile where the cell lines clustered by genotype and then phase demonstrated that different regions of common genes are affected. The hypermethylated DMRs from all pairwise comparisons were enriched for regions of bivalent chromatin marked by H3K4me3 as well as differentially methylated CpGs from previous DS studies of diverse tissues. In contrast, the hypomethylated DMRs from all pairwise comparisons displayed a tissue-specific profile enriched for regions of heterochromatin marked by H3K9me3 during embryonic development. Taken together, we propose a mechanism whereby regions of bivalent chromatin that lose H3K4me3 during development are targeted by excess DNMT3L and become hypermethylated, while excess DNMT3L also evicts DNMT3A from heterochromatin, resulting in hypomethylation. Overall, these findings demonstrate that DNMT3L overexpression during neurodevelopment recreates a facet of the DS DNA methylation signature.