ABSTRACT Variations in the genetic code, from single point mutations to large structural or copy number alterations, influence susceptibility, onset, and progression of genetic diseases and tumor transformation. Next-generation sequencing analysis is unable to reliably capture aberrations larger than the typical sequencing read length of several hundred bases. Long-read, single-molecule sequencing methods such as SMRT and nanopore sequencing can address larger variations, but require costly whole genome analysis. Here we describe a method for isolation and enrichment of a large genomic region of interest for targeted analysis based on Cas9 excision of two sites flanking the target region and isolation of the excised DNA segment by pulsed field gel electrophoresis. The isolated target remains intact and is ideally suited for optical genome mapping and long-read sequencing at high coverage. In addition, analysis is performed directly on native genomic DNA that retains genetic and epigenetic composition without amplification bias. This method enables detection of mutations and structural variants as well as detailed analysis by generation of hybrid scaffolds composed of optical maps and sequencing data at a fraction of the cost of whole genome sequencing.

Abstract Reduced representation methylation analysis utilizes a subset of CpGs in order to report the overall methylation status of the probed genomic regions. Here, we use this concept in order to create fluorescent optical methylation profiles along chromosomal DNA molecules for epigenetic profiling. Reduced representation optical methylation mapping (R 2 OM 2 ) in combination with Bionano Genomics next generation genome mapping (NGM) technology provides a hybrid genetic/epigenetic genome map of individual chromosome segments spanning hundreds of kilobase pairs (kbp). These long reads, along with the single-molecule resolution, allow for epigenetic variation calling and methylation analysis of large structural aberrations such as pathogenic macrosatellite arrays not accessible to single-cell next generation sequencing (NGS). We show that in addition to the inherent long-read benefits of R 2 OM 2 , it provides genomic methylation patterns comparable to whole genome bisulfite sequencing (WGBS) while retaining single-molecule information. The method is applied here to detect methylation along genes, around regulatory histone marks and to study facioscapulohumeral muscular dystrophy (FSHD), simultaneously recording the haplotype, copy number and methylation status of the disease-associated, highly repetitive locus onchromosome 4q.

ABSTRACT Reduced representation methylation profiling is a method of analysis in which a subset of CpGs is used to report the overall methylation status of the probed genomic regions. This approach has been widely adopted for genome-scale bisulfite sequencing since it requires fewer sequencing reads and uses significantly less starting material than whole-genome analysis. Consequently, this method is suitable for profiling medical samples and single cells at high throughput and reduced costs. Here, we use this concept in order to create a pattern of fluorescent optical methylation profiles along individual DNA molecules. Reduced representation optical methylation mapping (R 2 OM 2 ) in combination with Bionano Genomics next generation genome mapping (NGM) technology provides a hybrid genetic/epigenetic genome map of individual chromosome segments spanning hundreds of kilobase pairs (kbp). These long reads, along with the single-molecule resolution, allow for epigenetic variation calling and methylation analysis of large structural aberrations such as pathogenic macrosatellite arrays not accessible to single-cell next generation sequencing (NGS). We apply this method to facioscapulohumeral dystrophy (FSHD) showing both structural variation and hypomethylation status of a disease-associated, highly repetitive locus on chromosome 4q.

Abstract Motivation While promoter methylation is associated with reinforcing fundamental tissue identities, the methylation status of distant enhancers was shown by genome-wide association studies to be a powerful determinant of cell-state and cancer. With recent availability of long-reads that report on the methylation status of enhancer-promoter pairs on the same molecule, we hypothesized that probing these pairs on the single-molecule level may serve the basis for detection of rare cancerous transformations in a given cell population. We explore various analysis approaches for deconvolving cell-type mixtures based on their genome-wide enhancer-promoter methylation profiles. Results To evaluate our hypothesis we examine long-read optical methylome data for the GM12787 cell line and myoblast cell lines from two donors. We identified over 100,000 enhancer-promoter pairs that co-exist on at least 30 individual DNA molecules per pair. We developed a detailed methodology for mixture deconvolution and applied it to estimate the proportional cell compositions in synthetic mixtures based on analyzing their enhancer-promoter pairwise methylation. We found our methodology to lead to very accurate estimates, outperforming our promoter-based deconvolutions. Moreover, we show that it can be generalized from deconvolving different cell types to subtle scenarios where one wishes to deconvolve different cell populations of the same cell-type. Availability The code used in this work to analyze single-molecule Bionano Genomics optical maps is available via the GitHub repository https://github.com/ebensteinLab/Single_molecule_methylation_in_EP . Contact uv@post.tau.ac.il (Y.E), roded@tauex.tau.ac.il (R.S)

Abstract Mapping DNA damage and its repair has immense potential in understanding environmental exposures, their genotoxicity, and their impact on human health. Monitoring changes in genomic stability also aids in the diagnosis of numerous DNA-related diseases, like cancer, and assists in monitoring their progression and prognosis. However, genome-wide maps of DNA damage distribution are challenging to produce. Here we describe the localization of DNA damage and repair loci by Repair Assisted Damage Detection sequencing – RADD-Seq. Based on the enrichment of damage lesions coupled with a pull-down assay and followed by next generation sequencing, this method is easy to perform and can produce compelling results with minimal coverage. RADD-seq enables the localization of both DNA damage and repair sites for a wide range of single-strand damage types. Using this technique, we created a genome-wide map of oxidative DNA damage loci before and after repair. Oxidative lesions were heterogeneously distributed along the human genome, with less damage occurring in tight chromatin regions. Furthermore, we showed repair is prioritized for highly expressed, essential genes and in open chromatin regions. RADD-seq sheds light on cellular repair mechanisms and capable of identifying genomic hotspots prone to mutation.

The epigenetic mark 5-hydroxymethylcytosine (5-hmC) is a distinct product of active enzymatic demethylation that is linked to gene regulation, development and disease. Genome-wide 5-hmC profiles generated by short-read next-generation sequencing are limited in providing long-range epigenetic information relevant to highly variable genomic regions, such as the 3.7 Mbp disease-related Human Leukocyte Antigen (HLA) region. We present a long-read, single-molecule mapping technology that generates hybrid genetic/epigenetic profiles of native chromosomal DNA. The genome-wide distribution of 5- hmC in human peripheral blood cells correlates well with 5-hmC DNA immunoprecipitation (hMeDIP) sequencing. However, the long read length of 100 kbp-1Mbp produces 5-hmC profiles across variable genomic regions that failed to showup in the sequencing data. In addition, optical 5-hmC mapping shows strong correlation between the 5-hmC density in gene bodies and the corresponding level of gene expression. The single molecule concept provides information on the distribution and coexistence of 5-hmC signals at multiple genomic loci on the same genomic DNA molecule, revealing long-range correlations and cell-to-cell epigenetic variation.