A technique for conveniently radiolabeling DNA restriction endonuclease fragments to high specific activity is described. DNA fragments are purified from agarose gels directly by ethanol precipitation and are then denatured and labeled with the large fragment of DNA polymerase I, using random oligonucleotides as primers. Over 70% of the precursor triphosphate is routinely incorporated into complementary DNA, and specific activities of over 109 dpm/μg of DNA can be obtained using relatively small amounts of precursor. These “oligolabeled” DNA fragments serve as efficient probes in filter hybridization experiments.

Abstract Motivation: The recently released Infinium HumanMethylation450 array (the ‘450k’ array) provides a high-throughput assay to quantify DNA methylation (DNAm) at ∼450 000 loci across a range of genomic features. Although less comprehensive than high-throughput sequencing-based techniques, this product is more cost-effective and promises to be the most widely used DNAm high-throughput measurement technology over the next several years. Results: Here we describe a suite of computational tools that incorporate state-of-the-art statistical techniques for the analysis of DNAm data. The software is structured to easily adapt to future versions of the technology. We include methods for preprocessing, quality assessment and detection of differentially methylated regions from the kilobase to the megabase scale. We show how our software provides a powerful and flexible development platform for future methods. We also illustrate how our methods empower the technology to make discoveries previously thought to be possible only with sequencing-based methods. Availability and implementation: http://bioconductor.org/packages/release/bioc/html/minfi.html. Contact: khansen@jhsph.edu; rafa@jimmy.harvard.edu Supplementary information: Supplementary data are available at Bioinformatics online.

Somatic cell nuclear transfer and transcription-factor-based reprogramming revert adult cells to an embryonic state, and yield pluripotent stem cells that can generate all tissues. Through different mechanisms and kinetics, these two reprogramming methods reset genomic methylation, an epigenetic modification of DNA that influences gene expression, leading us to hypothesize that the resulting pluripotent stem cells might have different properties. Here we observe that low-passage induced pluripotent stem cells (iPSCs) derived by factor-based reprogramming of adult murine tissues harbour residual DNA methylation signatures characteristic of their somatic tissue of origin, which favours their differentiation along lineages related to the donor cell, while restricting alternative cell fates. Such an ‘epigenetic memory’ of the donor tissue could be reset by differentiation and serial reprogramming, or by treatment of iPSCs with chromatin-modifying drugs. In contrast, the differentiation and methylation of nuclear-transfer-derived pluripotent stem cells were more similar to classical embryonic stem cells than were iPSCs. Our data indicate that nuclear transfer is more effective at establishing the ground state of pluripotency than factor-based reprogramming, which can leave an epigenetic memory of the tissue of origin that may influence efforts at directed differentiation for applications in disease modelling or treatment. Induced pluripotent stem (iPS) cells are produced by reprogramming differentiated adult cells using a cocktail of transcription factors. They share many properties that are characteristic of embryonic stem (ES) cells generated by somatic-cell nuclear transfer (SCNT), and of ES cells from naturally fertilized embryos. The three cell types are not identical, however, and an interesting difference has now been discovered: iPS cells retain an 'epigenetic memory' of the donor tissue from which they derive, whereas SCNT-based reprogramming resets the DNA-methylation state of adult cells so it is closer to the ES cell-like state. In a separate study, Ji et al. examine the role of specific DNA methylation marks in the developmental progression of particular cell lineages. They present a genome-wide DNA-methylation analysis of haematopoietic cell populations that reveals remarkable epigenetic plasticity. Changes in DNA methylation emerge as perhaps a principal factor directing cell-fate choices such as commitment to myeloid or lymphoid development. Pluripotent stem cells can be generated in the laboratory through somatic cell nuclear transfer (generating nuclear transfer embryonic stem cells, ntESCs) or transcription-factor-based reprogramming (producing induced pluripotent stem cells, iPSCs). These methods reset the methylation signature of the genome — but to what extent? Here it is found that mouse iPSCs 'remember' the methylation status of their tissue of origin, but the methylation of ntESCs is more similar to that of naturally produced ES cells.

Andy Feinberg and colleagues show in a colon cancer model that most DNA methylation alterations occur in sequence regions distinct from promoters or canonical CpG islands, termed 'CpG island shores', and that this methylation is strongly related to gene expression and can discriminate tissue types regardless of species of origin. For the past 25 years, it has been known that alterations in DNA methylation (DNAm) occur in cancer, including hypomethylation of oncogenes and hypermethylation of tumor suppressor genes. However, most studies of cancer methylation have assumed that functionally important DNAm will occur in promoters, and that most DNAm changes in cancer occur in CpG islands. Here we show that most methylation alterations in colon cancer occur not in promoters, and also not in CpG islands, but in sequences up to 2 kb distant, which we term 'CpG island shores'. CpG island shore methylation was strongly related to gene expression, and it was highly conserved in mouse, discriminating tissue types regardless of species of origin. There was a notable overlap (45–65%) of the locations of colon cancer–related methylation changes with those that distinguished normal tissues, with hypermethylation enriched closer to the associated CpG islands, and hypomethylation enriched further from the associated CpG island and resembling that of noncolon normal tissues. Thus, methylation changes in cancer are at sites that vary normally in tissue differentiation, consistent with the epigenetic progenitor model of cancer, which proposes that epigenetic alterations affecting tissue-specific differentiation are the predominant mechanism by which epigenetic changes cause cancer.

Andrew Feinberg and colleagues show that differential methylation of CpG island shores distinguish human induced pluripotent stem cells from the fibroblasts from which they were derived. These differentially methylated regions of the genome can also distinguish normal colon tissue from colorectal cancer. Induced pluripotent stem (iPS) cells are derived by epigenetic reprogramming, but their DNA methylation patterns have not yet been analyzed on a genome-wide scale. Here, we find substantial hypermethylation and hypomethylation of cytosine-phosphate-guanine (CpG) island shores in nine human iPS cell lines as compared to their parental fibroblasts. The differentially methylated regions (DMRs) in the reprogrammed cells (denoted R-DMRs) were significantly enriched in tissue-specific (T-DMRs; 2.6-fold, P < 10−4) and cancer-specific DMRs (C-DMRs; 3.6-fold, P < 10−4). Notably, even though the iPS cells are derived from fibroblasts, their R-DMRs can distinguish between normal brain, liver and spleen cells and between colon cancer and normal colon cells. Thus, many DMRs are broadly involved in tissue differentiation, epigenetic reprogramming and cancer. We observed colocalization of hypomethylated R-DMRs with hypermethylated C-DMRs and bivalent chromatin marks, and colocalization of hypermethylated R-DMRs with hypomethylated C-DMRs and the absence of bivalent marks, suggesting two mechanisms for epigenetic reprogramming in iPS cells and cancer.

DNA methylation levels change with age. Recent studies have identified biomarkers of chronological age based on DNA methylation levels. It is not yet known whether DNA methylation age captures aspects of biological age. Here we test whether differences between people’s chronological ages and estimated ages, DNA methylation age, predict all-cause mortality in later life. The difference between DNA methylation age and chronological age (Δage) was calculated in four longitudinal cohorts of older people. Meta-analysis of proportional hazards models from the four cohorts was used to determine the association between Δage and mortality. A 5-year higher Δage is associated with a 21% higher mortality risk, adjusting for age and sex. After further adjustments for childhood IQ, education, social class, hypertension, diabetes, cardiovascular disease, and APOE e4 status, there is a 16% increased mortality risk for those with a 5-year higher Δage. A pedigree-based heritability analysis of Δage was conducted in a separate cohort. The heritability of Δage was 0.43. DNA methylation-derived measures of accelerated aging are heritable traits that predict mortality independently of health status, lifestyle factors, and known genetic factors.

Tumor heterogeneity is a major barrier to effective cancer diagnosis and treatment. We recently identified cancer-specific differentially DNA-methylated regions (cDMRs) in colon cancer, which also distinguish normal tissue types from each other, suggesting that these cDMRs might be generalized across cancer types. Here we show stochastic methylation variation of the same cDMRs, distinguishing cancer from normal tissue, in colon, lung, breast, thyroid and Wilms' tumors, with intermediate variation in adenomas. Whole-genome bisulfite sequencing shows these variable cDMRs are related to loss of sharply delimited methylation boundaries at CpG islands. Furthermore, we find hypomethylation of discrete blocks encompassing half the genome, with extreme gene expression variability. Genes associated with the cDMRs and large blocks are involved in mitosis and matrix remodeling, respectively. We suggest a model for cancer involving loss of epigenetic stability of well-defined genomic domains that underlies increased methylation variability in cancer that may contribute to tumor heterogeneity.

Recent data in humans and animals suggest that assisted reproductive technology (ART) might affect the epigenetics of early embryogenesis and might cause birth defects. We report the first evidence, to our knowledge, that ART is associated with a human overgrowth syndrome—namely, Beckwith-Wiedemann syndrome (BWS). In a prospective study, the prevalence of ART was 4.6% (3 of 65), versus the background rate of 0.8% in the United States. A total of seven children with BWS were born after ART—five of whom were conceived after intracytoplasmic sperm injection. Molecular studies of six of the children indicate that five of the six have specific epigenetic alterations associated with BWS—four at LIT1 and one at both LIT1 and H19. We discuss the implications of our finding that ART is associated with human overgrowth, similar to the large offspring syndrome reported in ruminants. Recent data in humans and animals suggest that assisted reproductive technology (ART) might affect the epigenetics of early embryogenesis and might cause birth defects. We report the first evidence, to our knowledge, that ART is associated with a human overgrowth syndrome—namely, Beckwith-Wiedemann syndrome (BWS). In a prospective study, the prevalence of ART was 4.6% (3 of 65), versus the background rate of 0.8% in the United States. A total of seven children with BWS were born after ART—five of whom were conceived after intracytoplasmic sperm injection. Molecular studies of six of the children indicate that five of the six have specific epigenetic alterations associated with BWS—four at LIT1 and one at both LIT1 and H19. We discuss the implications of our finding that ART is associated with human overgrowth, similar to the large offspring syndrome reported in ruminants.