Loss of the de novo DNA methyltransferases Dnmt3a and Dnmt3b in embryonic stem cells obstructs differentiation; however, the role of these enzymes in somatic stem cells is largely unknown. Using conditional ablation, we show that Dnmt3a loss progressively impairs hematopoietic stem cell (HSC) differentiation over serial transplantation, while simultaneously expanding HSC numbers in the bone marrow. Dnmt3a-null HSCs show both increased and decreased methylation at distinct loci, including substantial CpG island hypermethylation. Dnmt3a-null HSCs upregulate HSC multipotency genes and downregulate differentiation factors, and their progeny exhibit global hypomethylation and incomplete repression of HSC-specific genes. These data establish Dnmt3a as a critical participant in the epigenetic silencing of HSC regulatory genes, thereby enabling efficient differentiation.

To investigate the cell-intrinsic aging mechanisms that erode the function of somatic stem cells during aging, we have conducted a comprehensive integrated genomic analysis of young and aged cells. We profiled the transcriptome, DNA methylome, and histone modifications of young and old murine hematopoietic stem cells (HSCs). Transcriptome analysis indicated reduced TGF-β signaling and perturbation of genes involved in HSC proliferation and differentiation. Aged HSCs exhibited broader H3K4me3 peaks across HSC identity and self-renewal genes and showed increased DNA methylation at transcription factor binding sites associated with differentiation-promoting genes combined with a reduction at genes associated with HSC maintenance. Altogether, these changes reinforce HSC self-renewal and diminish differentiation, paralleling phenotypic HSC aging behavior. Ribosomal biogenesis emerged as a particular target of aging with increased transcription of ribosomal protein and RNA genes and hypomethylation of rRNA genes. This data set will serve as a reference for future epigenomic analysis of stem cell aging.

Higher order chromatin structure and DNA methylation are implicated in multiple developmental processes, but their relationship to cell state is unknown. Here, we found that large (~10kb) DNA methylation nadirs can form long loops connecting anchor loci that may be dozens of megabases apart, as well as interchromosomal links. The interacting loci comprise ~3.5Mb of the human genome. The data are more consistent with the formation of these loops by phase separation of the interacting loci to form a genomic subcompartment, rather than with CTCF-mediated extrusion. Interestingly, unlike previously characterized genomic subcompartments, this subcompartment is only present in particular cell types, such as stem and progenitor cells. Further, we identify one particular loop anchor that is functionally associated with maintenance of the hematopoietic stem cell state. Our work reveals that H3K27me3-marked large DNA methylation nadirs represent a novel set of very long-range loops and links associated with cellular identity.

Abstract Exercise has the ability to rejuvenate stem cells and improve tissue homeostasis and regeneration in aging animals. However, the cellular and molecular changes elicited by exercise have not been systematically studied across a broad range of cell types in stem cell compartments. To gain better insight into the mechanisms by which exercise affects niche and stem cell function, we subjected young and old mice to aerobic exercise and generated a single cell transcriptomic atlas of muscle, neural and hematopoietic stem cells with their niche cells and progeny. Complementarily, we also performed whole transcriptome analysis of single myofibers from these animals. We identified common and unique pathways that are compromised across these tissues and cell types in aged animals. We found that exercise has a rejuvenating effect on subsets of stem cells, and a profound impact in the composition and transcriptomic landscape of both circulating and tissue resident immune cells. Exercise ameliorated the upregulation of a number of inflammatory pathways as well as restored aspects of cell-cell communication within these stem cell compartments. Our study provides a comprehensive view of the coordinated responses of multiple aged stem cells and niche cells to exercise at the transcriptomic level.