To our knowledge, for the first time, we demonstrate that induced pluripotent stem cells (iPSCs) can autonomously generate full-term mice via tetraploid blastocysts complementation. Differentiated somatic cells can be reprogrammed into iPSCs by forced expression of four transcription factors—Oct4, Sox2, Klf4, and c-Myc. However, it has been unclear whether reprogrammed iPSCs are fully pluripotent, resembling normal embryonic stem cells (ESCs), as no iPSC lines have shown the ability to autonomously generate full-term mice after injection into tetraploid blastocysts. Here we provide evidence demonstrating that an iPSC line induced by the four transcription factors can be used to generate full-term mice from complemented tetraploid blastocysts and thus appears to be fully pluripotent. This work serves as a proof of principle that iPSCs can in fact generate full-term embryos by tetraploid complementation.

Summary

 DNA methylation and demethylation have been proposed to play an important role in somatic cell reprogramming. Here, we demonstrate that the DNA hydroxylase Tet1 facilitates pluripotent stem cell induction by promoting Oct4 demethylation and reactivation. Moreover, Tet1 (T) can replace Oct4 and initiate somatic cell reprogramming in conjunction with Sox2 (S), Klf4 (K), and c-Myc (M). We established an efficient TSKM secondary reprogramming system and used it to characterize the dynamic profiles of 5-methylcytosine (5mC), 5-hydroxymethylcytosine (5hmC), and gene expression during reprogramming. Our analysis revealed that both 5mC and 5hmC modifications increased at an intermediate stage of the process, correlating with a transition in the transcriptional profile. We also found that 5hmC enrichment is involved in the demethylation and reactivation of genes and regulatory regions that are important for pluripotency. Our data indicate that changes in DNA methylation and hydroxymethylation play important roles in genome-wide epigenetic remodeling during reprogramming.

Polycomb repressive complex 2 (PRC2)-mediated histone H3 lysine 27 (H3K27) methylation is vital for Polycomb gene silencing, a classic epigenetic phenomenon that maintains transcriptional silencing throughout cell divisions. We report that PRC2 activity is regulated by the density of its substrate nucleosome arrays. Neighboring nucleosomes activate the PRC2 complex with a fragment of their H3 histones (Ala(31) to Arg(42)). We also identified mutations on PRC2 subunit Su(z)12, which impair its binding and response to the activating peptide and its ability in establishing H3K27 trimethylation levels in vivo. In mouse embryonic stem cells, local chromatin compaction occurs before the formation of trimethylated H3K27 upon transcription cessation of the retinoic acid-regulated gene CYP26a1. We propose that PRC2 can sense the chromatin environment to exert its role in the maintenance of transcriptional states.

Abstract Chromatin remodeling is essential for epigenome reprogramming after fertilization. However, the underlying mechanisms of chromatin remodeling remain to be explored. Here, we investigated the dynamic changes in nucleosome occupancy and positioning in pronucleus-stage zygotes using ultra low-input MNase-seq. We observed distinct features of inheritance and reconstruction of nucleosome position in both paternal and maternal genomes. Genome-wide de novo nucleosome occupancy in the paternal genome was observed as early as 1 hour after the injection of sperm into ooplasm. The nucleosome positioning pattern was continually rebuilt to form nucleosome depletion regions (NDRs) at promoters and transcription factor (TF) binding sites with differential dynamics in paternal and maternal genomes. NDRs formed more quickly on the promoters of genes involved in zygotic genome activation (ZGA), and this formation is closely connected with histone acetylation, but not transcription elongation or DNA replication. Importantly, we found that NDR establishment on the binding motifs of specific TFs might be associated with their potential pioneer functions in ZGA. Further investigations suggested that the predicted factors MLX and RFX1 played important roles in regulating minor and major ZGA, respectively. Our data not only elucidate the nucleosome positioning dynamics in both male and female pronuclei following fertilization, but also provide an efficient method for identifying key transcription regulators during development.

Abstract During early embryo development, the nuclear factor CTCF plays a vital role in organizing chromatin structure and regulating transcription. Recent studies have examined the establishment of nucleosome profiles around the CTCF motif sites shortly after fertilization. However, the kinetics of CTCF chromatin occupation in pre-implantation embryos have remained unclear. In this study, we utilized CUT&RUN technology to investigate CTCF occupancy in mouse pre-implantation development. Our findings revealed that CTCF begins binding to the genome prior to zygotic genome activation (ZGA), with a preference for CTCF anchored chromatin loops. Although the majority of CTCF occupancy is consistently maintained, we identified a specific set of binding sites enriched in the mouse-specific short-interspersed element (SINE) family B2, which are restricted to the cleavage stages. Notably, our data suggested that the neuroprotective protein ADNP may counteract the stable association of CTCF at SINE B2-derived CTCF-binding sites.

Abstract Mammalian embryonic development is a complex process regulated by various epigenetic modifications. Recently, maternal histone H3 methylations were found to be inherited and reprogrammed in early embryos to regulate embryonic development. The enhancer of zest homolog 1 and 2 (Ezh1 and Ezh2) belong to the core components of Polycomb repressive complex 2 (PRC2) and are the histone methyltransferase of histone 3 lysine 27 (H3K27). How maternal Ezh1 and Ezh2 function on H3K27 methylation in in vivo preimplantation embryos and embryonic development are not clear. Here, we deleted Ezh1 or/and Ezh2 in growing oocytes using gene knockout mouse models, and found that H3K27me3 in oocytes was disappeared by loss of Ezh2 alone while H3K27me2 was absent upon deletion of both Ezh1 and Ezh2. The effects of Ezh1/2 were inherited in maternal knockout zygotes and early embryos, in which restoration of H3K27me3 was delayed until late blastocyte by loss of Ezh2 alone and H3K27me2 was reestablished until morulae by deletion of Ezh1 and Ezh2. However, the ablation of both Ezh1 and Ezh2 , but not single Ezh1 or Ezh2 , led to significantly decreased litter size due to growth retardation during post-implantation. Furthermore, maternal Ezh1/2 deficiency caused compromised H3K27me3 and pluripotent epiblast cells in late blastocyst, followed by defective development of epiblast. These results demonstrate that in oocytes, Ezh2 is indispensable for H3K27me3 while Ezh1 complements Ezh2 in H3K27me2. Also, maternal Ezh1/2-H3K27 methylation is inherited in descendant embryos and has a critical effect on fetus and placenta development. Thus, this work sheds light on maternal epigenetic modifications during embryonic development.

Abstract N 6 -methyladenosine (m 6 A) and its regulatory components play critical roles in various developmental processes in mammals( 1-5 ). However, the landscape and function of m 6 A in the maternal-to-zygotic transition (MZT) remain unclear due to limited materials. Here, by developing an ultralow-input MeRIP-seq method, we revealed the dynamics of the m 6 A RNA methylome during the MZT process in mice. We found that more than 1/3 maternal decay and 2/3 zygotic mRNAs were modified by m 6 A. Moreover, m 6 As are highly enriched in the RNA of transposable elements MTA and MERVL, which are highly expressed in oocytes and 2-cell embryos, respectively. Notably, maternal depletion of Kiaa1429 , a component of the m 6 A methyltransferase complex, leads to a reduced abundance of m 6 A-marked maternal RNAs, including both genes and MTA, in GV oocytes, indicating m 6 A-dependent regulation of RNA stability in oocytes. Interestingly, when the writers were depleted, some m 6 A-marked 2-cell specific RNAs, including Zscan4 and MERVL, appeared normal at the 2-cell stage but failed to be decayed at later stages, suggesting that m 6 A regulates the clearance of these transcripts. Together, our study uncovered that m 6 As function in context-specific manners during MZT, which ensures the transcriptome stability of oocytes and regulates the stage specificity of zygotic transcripts after fertilization. One Sentence Summary m 6 A RNA methylation stabilizes the maternal RNAs in mouse oocytes and degrades the 2-cell specific RNAs in the cleavage-stage embryos.