The global rise in obesity has revitalized a search for genetic and epigenetic factors underlying the disease. We present a Drosophila model of paternal-diet-induced intergenerational metabolic reprogramming (IGMR) and identify genes required for its encoding in offspring. Intriguingly, we find that as little as 2 days of dietary intervention in fathers elicits obesity in offspring. Paternal sugar acts as a physiological suppressor of variegation, desilencing chromatin-state-defined domains in both mature sperm and in offspring embryos. We identify requirements for H3K9/K27me3-dependent reprogramming of metabolic genes in two distinct germline and zygotic windows. Critically, we find evidence that a similar system may regulate obesity susceptibility and phenotype variation in mice and humans. The findings provide insight into the mechanisms underlying intergenerational metabolic reprogramming and carry profound implications for our understanding of phenotypic variation and evolution.

Genome-wide association studies (GWAS) have identified >250 loci for body mass index (BMI), implicating pathways related to neuronal biology. Most GWAS loci represent clusters of common, noncoding variants from which pinpointing causal genes remains challenging. Here we combined data from 718,734 individuals to discover rare and low-frequency (minor allele frequency (MAF) < 5%) coding variants associated with BMI. We identified 14 coding variants in 13 genes, of which 8 variants were in genes (ZBTB7B, ACHE, RAPGEF3, RAB21, ZFHX3, ENTPD6, ZFR2 and ZNF169) newly implicated in human obesity, 2 variants were in genes (MC4R and KSR2) previously observed to be mutated in extreme obesity and 2 variants were in GIPR. The effect sizes of rare variants are ~10 times larger than those of common variants, with the largest effect observed in carriers of an MC4R mutation introducing a stop codon (p.Tyr35Ter, MAF = 0.01%), who weighed ~7 kg more than non-carriers. Pathway analyses based on the variants associated with BMI confirm enrichment of neuronal genes and provide new evidence for adipocyte and energy expenditure biology, widening the potential of genetically supported therapeutic targets in obesity. Exome-wide analysis identifies rare and low-frequency coding variants associated with body mass index. Gene-based meta-analysis and functional studies implicate 13 genes, eight of which are novel, and neuronal pathways as factors in human obesity.

Summary Preconception parental environment can reproducibly program offspring phenotype without altering the DNA sequence, yet the mechanisms underpinning this ‘epigenetic inheritance’ remains elusive. Here, we demonstrate the existence of an intact piRNA-pathway in mature Drosophila sperm and show that pathway modulation alters offspring gene transcription in a sequence-specific manner. We map a dynamic small RNA content in developing sperm and find that the mature sperm carry a highly distinct small RNA cargo. By biochemical pulldown, we identify a small RNA subset bound directly to piwi protein. And, we show that piRNA-pathway controlled sperm small RNAs are linked to target gene repression in offspring. Critically, we find that full piRNA-pathway dosage is necessary for the intergenerational metabolic and transcriptional reprogramming events triggered by high paternal dietary sugar. These data provide a direct link between regulation of endogenous mature sperm small RNAs and transcriptional programming of complementary sequences in offspring. Thus, we identify a novel mediator of paternal intergenerational epigenetic inheritance.

Abstract The hypothalamus is essential in the regulation of metabolism, notably during critical windows of development. An abnormal hormonal and inflammatory milieu during development can trigger persistent changes in the function of hypothalamic circuits, leading to long-lasting effects on the body’s energy homeostasis and metabolism. We recently demonstrated that gestational exposure to benzene at smoking levels induces severe metabolic dysregulation in the offspring. Given the central role of the hypothalamus in metabolic control, we hypothesized that prenatal exposure to benzene impacts hypothalamic development, contributing to the adverse metabolic effects in the offspring. C57BL/6JB dams were exposed to benzene in the inhalation chambers exclusively during pregnancy (from E0.5 to E19). The transcriptome analysis of the offspring hypothalamus at postnatal day 21 (P21) revealed changes in genes related to metabolic regulation, inflammation, and neurodevelopment exclusively in benzene-exposed male offspring. Moreover, the hypothalamus of prenatally benzene-exposed male offspring displayed alterations in orexigenic and anorexigenic projections, impairments in leptin signaling, and increased microgliosis. Additional exposure to benzene during lactation did not promote further microgliosis or astrogliosis in the offspring, while the high-fat diet (HFD) challenge in adulthood exacerbated glucose metabolism and hypothalamic inflammation in benzene-exposed offspring of both sexes. These findings reveal the persistent impact of prenatal benzene exposure on hypothalamic circuits and neuroinflammation, predisposing the offspring to long-lasting metabolic health conditions.

Body fat distribution is a heritable risk factor for a range of adverse health consequences, including hyperlipidemia and type 2 diabetes. To identify protein-coding variants associated with body fat distribution, assessed by waist-to-hip ratio adjusted for body mass index, we analyzed 228,985 predicted coding and splice site variants available on exome arrays in up to 344,369 individuals from five major ancestries for discovery and 132,177 independent European-ancestry individuals for validation. We identified 15 common (minor allele frequency, MAF ≥ 5%) and 9 low frequency or rare (MAF < 5%) coding variants that have not been reported previously. Pathway/gene set enrichment analyses of all associated variants highlight lipid particle, adiponectin level, abnormal white adipose tissue physiology, and bone development and morphology as processes affecting fat distribution and body shape. Furthermore, the cross-trait associations and the analyses of variant and gene function highlight a strong connection to lipids, cardiovascular traits, and type 2 diabetes. In functional follow-up analyses, specifically in Drosophila RNAi-knockdown crosses, we observed a significant increase in the total body triglyceride levels for two genes (DNAH10 and PLXND1). By examining variants often poorly tagged or entirely missed by genome-wide association studies, we implicate novel genes in fat distribution, stressing the importance of interrogating low-frequency and protein-coding variants.

Summary Despite the recent explosion in surveys of cell-type heterogeneity, the mechanisms that specify and stabilize highly related cell subtypes remain poorly understood. Here, focusing initially on exploring quantitative histone mark heterogeneity, we identify two major sub-types of pancreatic β-cells (β HI and β LO ). β HI and β LO cells differ in their size, morphology, cytosolic and nuclear ultrastructure, transcriptional output, epigenomes, cell surface marker, and function. Importantly, β HI and β LO cells can be FACS separated live into CD24 + (β HI ) and CD24 - (β LO ) fractions. From an epigenetic viewpoint, β HI -cells exhibit ∼4-fold higher levels of H3K27me3, more compacted chromatin, and distinct chromatin organization that associates with a specific pattern of transcriptional output. Functionally, β HI cells have increased mitochondrial mass, activity, and insulin secretion both in vivo and ex vivo . Critically, Eed and Jmjd3 loss-of-function studies demonstrate that H3K27me3 dosage is a significant regulator of β HI / β LO cell ratio in vivo, yielding some of the first-ever specific models of β-cell sub-type distortion. β HI and β LO sub-types are conserved in humans with β HI -cells enriched in human Type-2 diabetes. These data identify two novel and fundamentally distinct β-cell subtypes and identify epigenetic dosage as a novel regulator of β-cell subtype specification and heterogeneity. Highlights Quantitative H3K27me3 heterogeneity reveals 2 common β-cell subtypes β HI and β LO cells are stably distinct by 7 independent sets of parameters H3K27me3 dosage controls β HI / β LO ratio in vivo β HI and β LO cells are conserved in humans and enriched in Type-2 diabetes

ABSTRACT Early organismal development consists of transformative events that lay the foundation for body formation and long-term phenotype. Despite this understanding, the rapid progression of events and the limited material available are major barriers to studying the earliest stages. The size and accessibility of Drosophila embryos overcome some of these limitations, and several studies characterizing early transcriptional events have been reported. Unfortunately, manual embryo staging, and elaborate protocols make the techniques employed in these studies prone to human and technical errors and incompatible with routine laboratory use. Herein, we present a straight-forward and operationally simple methodology for studying the early transcription (≤3 hours) in Drosophila . This method relies on single-embryo RNA-sequencing and transcriptome ordering along a developmental trajectory (pseudo-time), thereby avoiding the need for the staging of the embryos. The obtained high-resolution and time-sensitive mRNA expression profiles uncovered the exact onset of transcription and degradation of transcripts and revealed an earlier transcription start for several zygotic genes. In addition, degradation patterns suggest that maternal mRNA decay is independent of mRNA levels. By classifying each embryo as male or female, we were also able to study sex-biased transcription between the beginning of zygotic transcription to gastrulation and identified 120 differentially expressed mRNAs. Using sex-specific transcription signatures, embryos can be sexed directly, eliminating the need for Y-chromosome genotyping. Herein, we report an accessible, single-embryo sequencing approach for high-resolution, time-sensitive transcriptome analysis. Our data provide an unparalleled resolution of gene expression during early development and enhance the current understanding of early transcriptional processes.

Chromatin is the physical template that stabilizes and specifies transcriptional programs. To date, it remains largely unclear to what extent chromatin machinery contributes to the susceptibility and progression of complex diseases. Here, we combined deep epigenome mapping with single cell transcriptomics to mine for evidence of chromatin dysregulation in type-2 diabetes. We identify two chromatin-state signatures that track the trajectory of β-cell dysfunction in mice and humans: ectopic activation of bivalent Polycomb-domains and a loss of expression at a subclass of highly active domains containing key lineage-defining genes. β-cell specific deletion of Polycomb (Eed/PRC2) triggers parallel transcriptional signatures. Intriguingly, these β-cell Eed-knockouts also exhibit highly penetrant hyperglycemia-independent dedifferentiation indicating that Polycomb dysregulation sensitizes the β-cell for dedifferentiation. These findings provide novel resources for exploring transcriptional and epigenetic control of β-cell (dys)function. They identify PRC2 as necessary for longterm maintenance of β-cell identity. The data suggest a two-hit model for loss of β-cell identity in diabetes and highlight epigenetic therapeutic potential to block dedifferentiation.

Early embryonic development is characterized by the transition from maternal factor reliance to zygotic control. These processes set the stage for the embryo's basic structure and cellular differentiation. While relatively detailed knowledge exists of the transcriptional events during early development, little is known about the concurrent metabolic processes. Understanding these processes, however, is important since they are linked to cell fate determination and organ and tissue formation. The primary reasons for the limited progress in the field are technical limitations due to the small amount of material available during early embryonic time windows. Here, we introduce a novel single-embryo methodology that places us in an exciting position to analyze the early embryo's metabolome and transcriptome in an integrated manner and at high temporal resolution. The resulting data allow us to map concomitant metabolic and transcriptional programs in early Drosophila embryonic development. Our results reveal that a substantial number of metabolites exhibit dynamic patterns with some changing even before the onset of zygotic transcription. dNTPs for example show a temporal pattern that correlates with cell division patterns in the early embryo. In summary, here we present an operationally simple single-embryo metabolomics methodology and provide a detailed picture of early developmental metabolic processes at unprecedented temporal resolution.