Summary Preconception parental environment can reproducibly program offspring phenotype without altering the DNA sequence, yet the mechanisms underpinning this ‘epigenetic inheritance’ remains elusive. Here, we demonstrate the existence of an intact piRNA-pathway in mature Drosophila sperm and show that pathway modulation alters offspring gene transcription in a sequence-specific manner. We map a dynamic small RNA content in developing sperm and find that the mature sperm carry a highly distinct small RNA cargo. By biochemical pulldown, we identify a small RNA subset bound directly to piwi protein. And, we show that piRNA-pathway controlled sperm small RNAs are linked to target gene repression in offspring. Critically, we find that full piRNA-pathway dosage is necessary for the intergenerational metabolic and transcriptional reprogramming events triggered by high paternal dietary sugar. These data provide a direct link between regulation of endogenous mature sperm small RNAs and transcriptional programming of complementary sequences in offspring. Thus, we identify a novel mediator of paternal intergenerational epigenetic inheritance.

ABSTRACT Understanding how cells remember previous mechanical environments to influence their fate, or mechanical memory, informs the design of biomaterials and therapies in medicine. Current regeneration therapies require two-dimensional (2D) cell expansion processes to achieve large cell populations critical for the repair of damaged (e.g. connective and musculoskeletal) tissues. However, the influence of mechanical memory on cell fate following expansion is unknown, and mechanisms defining how physical environments influence the therapeutic potential of cells remain poorly understood. Here, we show that the organization of histone H3 trimethylated at lysine 9 (H3K9me3) and expression of tissue-identifying genes in primary cartilage cells (chondrocytes) transferred to three-dimensional (3D) hydrogels depends on the number of previous population doublings on tissue culture plastic during 2D cell expansion. Decreased levels of H3K9me3 occupying promoters of dedifferentiation genes after the 2D culture were also retained in 3D culture. Suppression of H3K9me3 during expansion of cells isolated from a murine model similarly resulted in the loss of the chondrocyte phenotype and global remodeling of nuclear architecture. In contrast, increasing levels of H3K9me3 through inhibiting H3K9 demethylases partially rescued the chondrogenic nuclear architecture and gene expression, which has important implications for tissue repair therapies, where expansion of large numbers of phenotypically-suitable cells is required. Overall, our findings indicate mechanical memory in primary cells is encoded in the chromatin architecture, which impacts cell fate and the phenotype of expanded cells. SIGNIFICANCE STATEMENT Tissue regeneration procedures, such as cartilage defect repair (e.g. Matrix-induced Autologous Chondrocyte Implantation) often require cell expansion processes to achieve sufficient cells to transplant into an in vivo environment. However, the chondrocyte cell expansion on 2D stiff substrates induces epigenetic changes that persist even when the chondrocytes are transferred to a different (e.g. 3D) or in vivo environment. Treatments to alter epigenetic gene regulation may be a viable strategy to improve existing cartilage defect repair procedures and other tissue engineering procedures that involve cell expansion.

Abstract PIWI-interacting RNAs (piRNAs) are small noncoding RNAs that silence transposons in the animal germline. PiRNAs are produced from long single-stranded non-coding transcripts, from protein-coding transcripts, as well as from transposons. While some sites that produce piRNAs are in deeply conserved syntenic regions, in general, piRNAs and piRNA-producing loci turnover faster than other functional parts of the genome. To learn about the sequence changes that contribute to the fast evolution of piRNAs, we set out to analyse piRNA expression between genetically different mice. Here we report the sequencing and analysis of small RNAs from the mouse male germline of four classical inbred strains, one inbred wild-derived strain and one outbred strain. We find that genetic differences between individuals underlie variation in piRNA expression. We report significant differences in piRNA production at loci with endogenous retrovirus insertions. Strain-specific piRNA-producing loci include protein-coding genes. Our findings provide evidence that transposable elements contribute to inter-individual differences in expression, and potentially to the fast evolution of piRNA-producing loci in mammals.

Analysis of RNA sequencing (RNA-seq) data from related individuals is widely used in clinical and molecular genetics studies. Sample labelling mistakes are estimated to affect more than 4% of published samples. Therefore, as a method of data quality control, a way to reconstruct pedigrees from RNA-seq data would be useful for confirming the expected relationships. Currently, reconstruction of pedigrees is based mainly on SNPs or microsatellites, obtained from genotyping arrays, whole genome sequencing and whole exome sequencing. Potential problems with using RNA-seq data for kinship detection are the low proportion of the genome that it covers, the highly skewed coverage of exons of different genes depending on expression level and allele-specific expression. In this study we assess the use of RNA-seq data to detect kinship between individuals, through pairwise identity-by-descent (IBD) estimates. First, we obtained high quality SNPs after successive filters to minimize the effects due to allelic imbalance as well as errors in sequencing, mapping and genotyping. Then, we used these SNPs to calculate pairwise IBD estimates. By analysing both real and simulated RNA-seq data we show that it is possible to identify up to second degree relationships using RNA-seq data of even low to moderate sequencing depth.