One Sentence Summary DNA replication establishes asymmetric epigenomes Summary One of the most fundamental questions in developmental biology concerns how cells with identical genomes differentiate into distinct cell types. One important context for understanding cell fate specification is asymmetric cell division, where the two daughter cells establish different cell fates following a single division. Many stem cells undergo asymmetric division to produce both a self-renewing stem cell and a differentiating daughter cell 1–5 . Here we show that histone H4 is inherited asymmetrically in asymmetrically dividing Drosophila male germline stem cells, similar to H3 6 . In contrast, both H2A and H2B are inherited symmetrically. By combining superresolution microscopy with the chromatin fiber method, we are able to study histone inheritance patterns on newly replicated chromatin fibers. Using this technique, we find asymmetric inheritance patterns for old and new H3, but symmetric inheritance patterns for old and new H2A on replicating sister chromatids. Furthermore, co-localization studies on isolated chromatin fibers and proximity ligation assays on intact nuclei reveal that old H3 are preferentially incorporated by the leading strand while newly synthesized H3 are enriched on the lagging strand. Finally, using a sequential nucleoside analog incorporation assay, we detect a high incidence of unidirectional DNA replication on germline-derived chromatin fibers and DNA fibers. The unidirectional fork movement coupled with the strand preference of histone incorporation could explain how old and new H3 are asymmetrically incorporated by replicating sister chromatids. In summary, our work demonstrates that the intrinsic asymmetries in DNA replication may help construct sister chromatids enriched with distinct populations of histones. Therefore, these results suggest unappreciated roles for DNA replication in asymmetrically dividing cells in multicellular organisms.

Abstract Stem cells undergo asymmetric division to produce both a self-renewing stem cell and a differentiating daughter cell. During Drosophila male germline stem cell (GSC) asymmetric division, preexisting old histones H3 and H4 are enriched in the self-renewed stem daughter cell, whereas the newly synthesized H3 and H4 are enriched in the differentiating daughter cell. However, the biological consequences in the two daughter cells resulting from asymmetric histone inheritance remained to be elucidated. In this work, we track both old and new histones throughout GSC cell cycle using high spatial and temporal resolution microscopy. We find several unique features differentiating old versus new histone-enriched sister chromatids, including nucleosome density, chromosomal condensation, and H3 Ser10 phosphorylation. These distinct chromosomal features lead to their differential association with Cdc6, an essential component of the pre-replication complex, which subsequently contributes to asynchronous initiation of DNA replication in the two resulting daughter cells. Disruption of asymmetric histone inheritance abolishes both differential Cdc6 association and asynchronous S-phase entry, demonstrating that asymmetric histone acts upstream of these critical events during cell cycle progression. Furthermore, GSC defects are detected under these conditions, indicating a connection between histone inheritance, cell cycle progression and cell fate decision. Together, these studies reveal that cell cycle remodeling as a crucial biological ‘readout’ of asymmetric histone inheritance, which precedes and could lead to other well-known readouts such as differential gene expression. This work also enhances our understanding of asymmetric histone inheritance and epigenetic regulation in other stem cells or asymmetrically dividing cells in multicellular organisms.

ABSTRACT Conserved ATP-dependent chromatin remodelers establish and maintain genome-wide chromatin architectures of regulatory DNA during cellular lifespan, but the temporal interactions between remodelers and chromatin targets have been obscure. We performed live-cell single-molecule tracking for RSC, SWI/SNF, CHD1, ISW1, ISW2, and INO80 remodeling complexes in budding yeast and detected hyperkinetic behaviors for chromatin-bound molecules that frequently transition to the free state for all complexes. Chromatin-bound remodelers display notably higher diffusion than nucleosomal histones, and strikingly fast dissociation kinetics with 4-7 s mean residence times. These enhanced dynamics require ATP binding or hydrolysis by the catalytic ATPase, uncovering an additional function to its established role in nucleosome remodeling. Kinetic simulations show that multiple remodelers can repeatedly occupy the same promoter region on a timescale of minutes, implicating an unending ‘tug-of-war’ that controls a temporally shifting window of accessibility for the transcription initiation machinery.

Through the process of symmetric cell division, one mother cell gives rise to two identical daughter cells. Many stem cells utilize asymmetric cell division (ACD) to produce a self-renewed stem cell and a differentiating daughter cell. Since both daughter cells inherit the identical genetic information during ACD, a crucial question concerns how non-genic factors could be inherited differentially to establish distinct cell fates. It has been hypothesized that epigenetic differences at sister centromeres could contribute to biased sister chromatid attachment and segregation during mitosis. However, direct in vivo evidence has never been shown. Here, we report that a stem cell-specific mitotic drive ensures biased sister chromatid attachment and segregation. We have found during ACD, sister centromeres become asymmetrically enriched with proteins involved in centromere specification and kinetochore formation. Furthermore, we show that that temporally asymmetric microtubule activities direct polarized nuclear envelope breakdown, allowing for the preferential recognition and attachment of microtubules to asymmetric sister kinetochores and sister centromeres. This communication occurs in a spatiotemporally regulated manner. Abolishment of either the establishment of asymmetric sister centromeres or the asymmetric microtubule emanation results in randomized sister chromatid segregation and stem cell loss. Our results demonstrate that the cis-asymmetry at chromatids tightly coincides and coordinates with the trans-asymmetry from the mitotic machinery to allow for differential attachment and segregation of genetically identical yet epigenetically distinct sister chromatids. Together, these results provide the first direct in vivo mechanisms for partitioning of epigenetically distinct sister chromatids in asymmetrically dividing stem cells, which opens a new direction to study how this mechanism could be used in other developmental contexts to achieve distinct cell fates through mitosis.

Stem cells display asymmetric histone inheritance while non-stem progenitor cells exhibit symmetric patterns in the Drosophila male germline lineage. Here, we report that components involved in lagging strand synthesis, such as DNA polymerase α and δ (Polα and Polδ), have significantly reduced levels in stem cells compared to progenitor cells. Compromising Polα genetically induces the replication-coupled histone incorporation pattern in progenitor cells to be indistinguishable from that in stem cells, which can be recapitulated using a Polα inhibitor in a concentration-dependent manner. Furthermore, stem cell-derived chromatin fibers display a higher degree of old histone recycling by the leading strand compared to progenitor cell-derived chromatin fibers. However, upon reducing Polα levels in progenitor cells, the chromatin fibers now display asymmetric old histone recycling just like GSC-derived fibers. The old versus new histone asymmetry is comparable between stem cells and progenitor cells at both S-phase and M-phase. Together, these results indicate that developmentally programmed expression of key DNA replication components is important to shape stem cell chromatin. Furthermore, manipulating one crucial DNA replication component can induce replication-coupled histone dynamics in non-stem cells in a manner similar to that in stem cells.

Abstract Adult stem cells undergo asymmetric cell divisions to produce two daughter cells with distinct cell fates: one capable of self-renewal and the other committed for differentiation. Mis-regulation of this delicate balance can lead to cancer and tissue degeneration. During asymmetric division of Drosophila male germline stem cells (GSCs), preexisting (old) and newly synthesized histone H3 are differentially segregated whereas old and new histone variant H3.3 are more equally inherited. However, what underlies these distinct inheritance patterns remains unknown. Here, we report that the N-terminal tails of H3 and H3.3 are critical for their inheritance patterns, as well as GSC maintenance and proper differentiation. H3 and H3.3 differ at the 31 st position in their N-termini with Alanine for H3 and Serine for H3.3. By swapping these two amino acids, we generated two mutant histones (i.e., H3A31S and H3.3S31A). Upon expressing them in the early-stage germline, we identified opposing phenotypes: over-population of early-stage germ cells in the H3A31S-expressing testes and significant germ cell loss in testes expressing the H3.3S31A. Asymmetric H3 inheritance is disrupted in the H3A31S-expressing GSCs, due to mis-incorporation of old histones between sister chromatids during DNA replication. Furthermore, H3.3S31A mutation accelerates old histone turn-over in the GSCs. Finally, using a modified Chromatin Immunocleavage assay on early-stage germ cells, we found that H3A31S has an enhanced occupancy at the promoters and transcription starting sites than H3, while H3.3S31A is more enriched at transcriptionally silent intergenic regions compared to H3.3. Overall, these results suggest that the 31 st amino acids for both H3 and H3.3 are critical for their proper genomic occupancy and function. Together, our findings indicate a critical role for the different amino acid composition of the N-terminal tails between H3 and H3.3 in an endogenous stem cell lineage, and provide insights into the importance of proper histone inheritance in specifying cell fates and regulating cellular differentiation.