To better understand transcriptional regulation during human oogenesis and preimplantation development, we defined stage-specific transcription, which highlighted the cleavage stage as being highly distinctive. Here, we present multiple lines of evidence that a eutherian-specific multicopy retrogene, DUX4, encodes a transcription factor that activates hundreds of endogenous genes (for example, ZSCAN4, KDM4E and PRAMEF-family genes) and retroviral elements (MERVL/HERVL family) that define the cleavage-specific transcriptional programs in humans and mice. Remarkably, mouse Dux expression is both necessary and sufficient to convert mouse embryonic stem cells (mESCs) into 2-cell-embryo-like ('2C-like') cells, measured here by the reactivation of '2C' genes and repeat elements, the loss of POU5F1 (also known as OCT4) protein and chromocenters, and the conversion of the chromatin landscape (as assessed by transposase-accessible chromatin using sequencing (ATAC-seq)) to a state strongly resembling that of mouse 2C embryos. Thus, we propose mouse DUX and human DUX4 as major drivers of the cleavage or 2C state.

Aging men display reduced reproductive health; however, testis aging is poorly understood at the molecular and genomic levels. Here, we utilized single-cell RNA-seq to profile over 44,000 cells from both young and older men and examined age-related changes in germline development and in the testicular somatic cells. Age-related changes in spermatogonial stem cells appeared modest, whereas age-related dysregulation of spermatogenesis and somatic cells ranged from moderate to severe. Altered pathways included signaling and inflammation in multiple cell types, metabolic signaling in Sertoli cells, hedgehog signaling and testosterone production in Leydig cells, cell death and growth in testicular peritubular cells, and possible developmental regression in both Leydig and peritubular cells. Remarkably, the extent of dysregulation correlated with body mass index in older but not in younger men. Collectively, we reveal candidate molecular mechanisms underlying the complex testicular changes conferred by aging and their possible exacerbation by concurrent chronic conditions such as obesity.

Abstract We created the c.1286C>G stop-gain mutation found in a family with primary ovarian insufficiency (POI) at age 30 years. The Eif4enif1 C57/Bl6 transgenic mouse model contained a floxed exon 10-19 cassette with a conditional knock-in cassette containing the c.1286C>G stop-gain mutation in exon 10. The hybrid offspring of CMV- Cre mice with Eif4enif1 WT/flx mice were designated Eif4enif1 WT/ Δ for simplicity. A subset of female heterozygotes ( Eif4enif1 WT/ Δ ) had no litters. In those with litters, the final litter was earlier (5.4±2.6 vs. 10.5±0.7 months; p=0.02). Heterozygous breeding pair ( Eif4enif1 WT/ Δ x Eif4enif1 WT/ Δ ) litter size was 60% of WT litter size (3.9±2.0 vs. 6.5±3.0 pups/litter; p <0.001). The genotypes were 35% Eif4enif1 WT/flx and 65% Eif4enif1 WT/ Δ , with no homozygotes. Homozygote embryos did not develop beyond the 4-8 cell stage. The number of follicles in ovaries from Eif4enif1 WT/ Δ mice was lower starting at the primordial (499±290 vs. 1445±381) and primary follicle stage (1069±346 vs. 1450±193) on day 10 (p<0.05). The preantral follicle number was lower starting on day 21 (213±86 vs. 522±227; p<0.01). Examination of ribosome protected mRNAs (RPR) demonstrated altered mRNA expression. The Eif4enif1 stop-gain mice replicate the POI phenotype in women. The unique mouse model provides a platform to study regulation of protein translation across oocyte and embryo development in mammals.

SUMMARY Aging human males display reduced reproductive health, however testis aging is poorly understood at the molecular and genomic level. Here, we utilized single-cell RNA-seq to profile over 44,000 cells from both young and older men (>60 years old) – and examined age-related changes in germline development and in the somatic niche. Interestingly, age-related changes in spermatogonial stem cells appeared modest, whereas age-related dysregulation of spermatogenesis and the somatic niche ranged from moderate to severe. Altered pathways included signaling and inflammation in multiple cell types, metabolic signaling in Sertoli cells, hedgehog signaling and testosterone production in Leydig cells, cell death and growth in testicular peritubular cells, and possible developmental regression in both Leydig and peritubular cells. Remarkably, the extent of dysregulation correlated with body mass index in older, but not younger men. Taken together, we reveal candidate molecular mechanisms underlying the complex testicular changes conferred by aging, and their exacerbation by concurrent chronic conditions such as obesity.