Abstract Transgenerational transmission of epiphenotypes is poorly understood. Here we show that exposure of pregnant mouse F0 females to BPA results in obesity in the F2 progeny due to increased food intake and leptin resistance. This epiphenotype can be transmitted up to the F6 generation and disappears in F7. Analyses of chromatin accessibility in sperm of the F1-F6 generations reveals alterations in the binding of CTCF at two enhancers of the Fto gene in obese but not control animals that correlates with transmission of obesity. Deletion of the CTCF site in Fto results in mice that fail to become obese when exposed to BPA. These Fto enhancers show increased interactions in sperm of obese mice with the Irx3 and Irx5 genes, which are involved in the differentiation of appetite controlling AgRP/NPY neurons. Single-nucleus and immunofluorescence analyses in the arcuate nucleus of the hypothalamus suggest that exposure to BPA results in expansion of the number of orexigenic AgRP neurons. This expansion correlates with increased accessibility of the Fto proximal enhancer in radial glia-like neural stem cells (RG-NSCs), which give rise to AgRP/NPY neurons, and in mature oligodendrocytes. The results provide a molecular mechanism for transgenerational inheritance in mammals and suggest that both genetic and epigenetic alterations of Fto can lead to the same phenotypic outcomes.

ABSTRACT One in 54 children in the U.S. is diagnosed with Autism Spectrum Disorder (ASD). De novo germline and somatic mutations cannot account for all cases of ASD, suggesting that epigenetic alterations triggered by environmental exposures may be responsible for a subset of ASD cases. Human and animal studies have shown that exposure of the developing brain to general anesthetic (GA) agents can trigger neurodegeneration and neurobehavioral abnormalities but the effects of general anesthetics on the germ line have not been explored in detail. We exposed pregnant mice to sevoflurane during the time of embryonic development when the germ cells undergo epigenetic reprogramming and found that more than 38% of the directly exposed F1 animals exhibit impairments in anxiety and social interactions. Strikingly, 44-47% of the F2 and F3 animals, which were not directly exposed to sevoflurane, show the same behavioral problems. We performed ATAC-seq and identified more than 1,200 differentially accessible sites in the sperm of F1 animals, 69 of which are also present in the sperm of F2 animals. These sites are located in regulatory regions of genes strongly associated with ASD, including Arid1b, Ntrk2 , and Stmn2 . These findings suggest that epimutations caused by exposing germ cells to sevoflurane can lead to ASD in the offspring, and this effect can be transmitted through the male germline inter and trans-generationally. Summary sentence Pregnant mouse F0 females exposed to sevoflurane give rise to F1 males with sociability and anxiety defects. These behaviors are transmitted to F2 and F3 males. Their sperm show changes in transcription factor occupancy in genes implicated in autism.