Characterizing the multifaceted contribution of genetic and epigenetic factors to disease phenotypes is a major challenge in human genetics and medicine. We carried out high-resolution genetic, epigenetic, and transcriptomic profiling in three major human immune cell types (CD14+ monocytes, CD16+ neutrophils, and naive CD4+ T cells) from up to 197 individuals. We assess, quantitatively, the relative contribution of cis-genetic and epigenetic factors to transcription and evaluate their impact as potential sources of confounding in epigenome-wide association studies. Further, we characterize highly coordinated genetic effects on gene expression, methylation, and histone variation through quantitative trait locus (QTL) mapping and allele-specific (AS) analyses. Finally, we demonstrate colocalization of molecular trait QTLs at 345 unique immune disease loci. This expansive, high-resolution atlas of multi-omics changes yields insights into cell-type-specific correlation between diverse genomic inputs, more generalizable correlations between these inputs, and defines molecular events that may underpin complex disease risk.

Epigenetic modifications such as DNA methylation play a key role in gene regulation and disease susceptibility. However, little is known about the genome-wide frequency, localization, and function of methylation variation and how it is regulated by genetic and environmental factors. We utilized the Multiple Tissue Human Expression Resource (MuTHER) and generated Illumina 450K adipose methylome data from 648 twins. We found that individual CpGs had low variance and that variability was suppressed in promoters. We noted that DNA methylation variation was highly heritable (h²_median = 0.34) and that shared environmental effects correlated with metabolic phenotype-associated CpGs. Analysis of methylation quantitative-trait loci (metQTL) revealed that 28% of CpGs were associated with nearby SNPs, and when overlapping them with adipose expression quantitative-trait loci (eQTL) from the same individuals, we found that 6% of the loci played a role in regulating both gene expression and DNA methylation. These associations were bidirectional, but there were pronounced negative associations for promoter CpGs. Integration of metQTL with adipose reference epigenomes and disease associations revealed significant enrichment of metQTL overlapping metabolic-trait or disease loci in enhancers (the strongest effects were for high-density lipoprotein cholesterol and body mass index [BMI]). We followed up with the BMI SNP rs713586, a cg01884057 metQTL that overlaps an enhancer upstream of ADCY3, and used bisulphite sequencing to refine this region. Our results showed widespread population invariability yet sequence dependence on adipose DNA methylation but that incorporating maps of regulatory elements aid in linking CpG variation to gene regulation and disease risk in a tissue-dependent manner.

In early embryos, DNA methylation is remodelled to initiate the developmental program but for mostly unknown reasons, methylation marks are acquired unequally between embryonic and placental cells. To better understand this, we generated high-resolution DNA methylation maps of mouse mid-gestation (E10.5) embryo and placenta. We uncovered specific subtypes of differentially methylated regions (DMRs) that contribute directly to the developmental asymmetry existing between mid-gestation embryonic and placental DNA methylation patterns. We show that the asymmetry occurs rapidly during the acquisition of marks in the post-implanted conceptus (E3.5-E6.5), and that these patterns are long-lasting across subtypes of DMRs throughout prenatal development and in somatic tissues. We reveal that at the peri-implantation stages, the de novo methyltransferase activity of DNMT3B is the main driver of methylation marks on asymmetric DMRs, and that DNMT3B can largely compensate for lack of DNMT3A in the epiblast and extraembryonic ectoderm, whereas DNMT3A can only partially compensate in the absence of DNMT3B. However, as development progresses and as DNMT3A becomes the principal de novo methyltransferase, the compensatory DNA methylation mechanism of DNMT3B on DMRs becomes less effective.

Childhood acute lymphoblastic leukemia (cALL) is the most common pediatric cancer. It is characterized by bone marrow lymphoid precursors that acquire genetic alterations, resulting in disrupted maturation and uncontrollable proliferation. More than a dozen molecular subtypes of variable severity can be used to classify cALL cases. Modern therapy protocols currently cure 85-90% of cases, but other patients are refractory or will relapse and eventually succumb to their disease. To better understand these difficult cases, we investigated the nature and extent of intra-individual transcriptional heterogeneity of cALL at the cellular level by sequencing the transcriptomes of 39,375 individual cells in eight patients (six pre-B and two pre-T) and three healthy pediatric controls. We observed intra-individual transcriptional clusters in five out of the eight patients. Using pseudotime maturation trajectories of healthy B and T cells, we obtained the predicted developmental state of each leukemia cell and observed distribution shifts within patients. We showed that the predicted developmental states of these cancer cells are inversely correlated with ribosomal protein expression levels, which could be a common contributor to intra-individual heterogeneity in cALL patients.

SUMMARY Our research is motivated by the pivotal role of DNMT1 in maintaining DNA methylation, genomic stability, transposable element silencing, and imprinting alongside the extensive utilization of embryonic stem cells (ESCs) for modeling development and disease. Previously, we showed that DNA hypomethylation persisted throughout Dnmt1 inactivation and rescue in mouse ESCs (mESCs), demonstrating their need for sustained DNMT1 activity. Here, expanding on our previous work, we assessed the broader epigenomic impact using EM-seq for enhanced DNA methylation coverage and sensitivity, ChIP-seq for five histone modifications and differential gene expression analysis, revealing dynamic epigenomic remodeling. We uncovered 20 regions with imprinted-like signatures and observed permanent de-repression of MERVL and MT2 transposable elements potentially associated with gene transcript chimerism. Genomic instability, cellular dysfunction, and lasting effects upon differentiation into germ layer lineages were also detected. Our findings enlighten DNMT1-dependent mechanisms in mESCs, offering foundational insights into developmental biology, disease pathogenesis and regenerative medicine. GRAPHICAL ABSTRACT HIGHLIGHTS Epigenomic stress induced by Dnmt1 inactivation in mESCs persists after Dnmt1 rescue Identification of 20 regions with imprinted-like epigenetic and regulatory signatures MERVL and MT2 LTR de-repression with evidence of related gene transcript chimerism Genomic instability, cellular dysfunction, and lasting effects upon differentiation

ABSTRACT Background Prenatal alcohol exposure is recognized for altering DNA methylation profiles of brain cells during development, and to be part of the molecular basis underpinning Fetal Alcohol Spectrum Disorder (FASD) etiology. However, we have negligible information on the effects of alcohol exposure during pre-implantation, the early embryonic window marked with dynamic DNA methylation reprogramming, and on how this may rewire the brain developmental program. Results Using a pre-clinical in vivo mouse model, we show that a binge-like alcohol exposure during pre-implantation at the 8-cell stage leads to surge in morphological brain defects and adverse developmental outcomes during fetal life. Genome-wide DNA methylation analyses of fetal forebrains uncovered sex-specific alterations, including partial loss of DNA methylation maintenance at imprinting control regions, and abnormal de novo DNA methylation profiles in various biological pathways (e.g., neural/brain development). Conclusion These findings support that alcohol-induced DNA methylation programming deviations during pre-implantation could contribute to the manifestation of neurodevelopmental phenotypes associated with FASD.

With the decreasing cost of sequencing and the rapid developments in genomics technologies and protocols, the need for validated bioinformatics software that enables efficient large-scale data processing is growing. Here we present GenPipes, a flexible Python-based framework that facilitates the development and deployment of multi-step workflows optimized for High Performance Computing clusters and the cloud. GenPipes already implements 12 validated and scalable pipelines for various genomics applications, including RNA-Seq, ChIP-Seq, DNA-Seq, Methyl-Seq, Hi-C, capture Hi-C, metagenomics and PacBio long read assembly. The software is available under a GPLv3 open source license and is continuously updated to follow recent advances in genomics and bioinformatics. The framework has been already configured on several servers and a docker image is also available to facilitate additional installations. In summary, GenPipes offers genomic researchers a simple method to analyze different types of data, customizable to their needs and resources, as well as the flexibility to create their own workflows.

Targeting MYC oncogene remains a major therapeutic goal in cancer chemotherapy. Here, we demonstrate that proscillaridin, a cardiac glycoside approved for heart failure treatment exhibit anticancer selectivity towards high MYC expressing leukemic cell lines and leukemia stem cells. At a clinically relevant concentration, proscillaridin induced a rapid downregulation of MYC protein level, due to a significant decrease in MYC protein half-life. Proscillaridin treatment induced a downregulation of gene sets involved in MYC pathway, and a concomitant upregulation of genes involved in hematopoietic differentiation. Proscillaridin induced a significant loss of lysine acetylation in histone H3 (at K9, K14, K18 and K27) and in non-histone proteins such as MYC, MYC target proteins, and a series of histone acetylation regulators. Loss of lysine acetylation correlated with a rapid downregulation of histone acetyltransferase protein levels, involved in histone and MYC acetylation (CBP, P300, GCN5, Tip60, and MOZ), preferentially in MYC overexpressing leukemia as compared to other cancer cells. These results support the repurposing of proscillaridin in MYC overexpressing leukemia and propose a novel strategy to target MYC in cancer.