There has been substantial interest in assessing whether RNAs (mRNAs and sncRNAs, i.e. small non-coding) delivered from mammalian spermatozoa play a functional role in early embryo development. While the cadre of spermatozoal mRNAs has been characterized, comparatively little is known about the distribution or function of the estimated 24 000 sncRNAs within each normal human spermatozoon. RNAs of <200 bases in length were isolated from the ejaculates from three donors of proved fertility. RNAs of 18–30 nucleotides in length were then used to construct small RNA Digital Gene Expression libraries for Next Generation Sequencing. Known sncRNAs that uniquely mapped to a single location in the human genome were identified. Bioinformatic analysis revealed the presence of multiple classes of small RNAs in human spermatozoa. The primary classes resolved included microRNA (miRNAs) (≈7%), Piwi-interacting piRNAs (≈17%), repeat-associated small RNAs (≈65%). A minor subset of short RNAs within the transcription start site/promoter fraction (≈11%) frames the histone promoter-associated regions enriched in genes of early embryonic development. These have been termed quiescent RNAs. A complex population of male derived sncRNAs that are available for delivery upon fertilization was revealed. Sperm miRNA-targeted enrichment in the human oocyte is consistent with their role as modifiers of early post-fertilization. The relative abundance of piRNAs and repeat-associated RNAs suggests that they may assume a role in confrontation and consolidation. This may ensure the compatibility of the genomes at fertilization.

ABSTRACT In a wild population of spotted hyenas, we tested the hypothesis that maternal care during the first year of life and social connectedness during two periods of early development lead to differences in DNA methylation and fecal glucocorticoid metabolites (fGCMs) later in life. We found that although maternal care and social connectedness during the communal den dependent period were not associated with fGCMs, greater social connectedness after hyenas leave their communal den is associated with lower adult fGCMs. Additionally, more maternal care and social connectedness after leaving the communal den corresponded with higher global (%CCGG) DNA methylation. Finally, we identified multiple DNA methylation biomarkers near genes involved in inflammation that may link maternal care and stress phenotype. Our findings suggest that both maternal care during the first year of life and social connections after leaving the den influence DNA methylation and contribute to a developmentally plastic stress response.

Abstract Cytosine modifications in DNA such as 5-methylcytosine (5mC) underlie a broad range of developmental processes, maintain cellular lineage specification, and can define or stratify cancer and other diseases. However, the wide variety of approaches available to interrogate these modifications has created a need for harmonized materials, methods, and rigorous benchmarking to improve genome-wide methylome sequencing applications in clinical and basic research. Here, we present a multi-platform assessment and a global resource for epigenetics research from the FDA’s Epigenomics Quality Control (EpiQC) Group. The study design leverages seven human cell lines that are designated as reference materials and publicly available from the National Institute of Standards and Technology (NIST) and Genome in a Bottle (GIAB) consortium. These samples were subject to a variety of genome-wide methylation interrogation approaches across six independent laboratories, with a primary focus was on 5-methylcytosine modifications. Each sample was processed in two or more technical replicates by three whole-genome bisulfite sequencing (WGBS) protocols (TruSeq DNA methylation, Accel-NGS MethylSeq, and SPLAT), oxidative bisulfite sequencing (TrueMethyl), one enzymatic deamination method (EMseq), targeted methylation sequencing (Illumina Methyl Capture EPIC), and single-molecule long-read nanopore sequencing from Oxford Nanopore Technologies. After rigorous quality assessment and comparison to Illumina EPIC methylation microarrays and testing on a range of algorithms (Bismark, BitmapperBS, BWAMeth, and GemBS), we found overall high concordance between assays (R=0.87-R0.93), differences in efficency of read mapping and CpG capture and coverage, and platform performance. The data provided herein can guide continued used of these reference materials in epigenomics assays, as well as provide best practices for epigenomics research and experimental design in future studies.

Maternal exposure to environmental chemicals can cause adverse health effects in offspring. Mounting evidence supports that these effects are influenced, at least in part, by epigenetic modifications. It is unknown whether epigenetic changes in surrogate tissues such as the blood are reflective of similar changes in target tissues such as cortex or liver.

Background: DNA methylation is a critical epigenetic mechanism linking early developmental environment to long-term health. In humans, the extent to which toxicant-induced changes in DNA methylation in surrogate tissues, such as blood, mirror those in the target tissues is unclear. The Toxicant Exposures and Responses by Genomic and Epigenomic Regulators of Transcription (TaRGET II) consortium was established by the National Institute of Environmental Health Sciences to address the utility of surrogate tissues as proxies for toxicant-induced epigenetic changes in target tissues. Objectives: The objective of this study was to investigate the effects of perinatal exposure to a human environmentally relevant level (32 ppm in maternal drinking water) of lead (Pb) on liver and blood DNA methylation in adult male and female mice. We hypothesized that developmental Pb exposure would lead to persistent changes in DNA methylation, and that a subset of differentially methylated loci would overlap between liver and blood. Methods: Enhanced reduced-representation bisulfite sequencing was used to assess DNA methylation in 5 month old Pb-exposed and control mice. Sex-stratified modeling of differential methylation by Pb exposure was conducted using an established bioinformatics pipeline. Results: Although Pb exposure ceased at 3 weeks of age, we observed thousands of stably modified, sex-specific differentially methylated regions in the blood and liver of Pb-exposed animals, including 44 genomically imprinted loci. In males, we discovered 5 sites that overlapped between blood and liver, and exhibited changes in DNA methylation in the same direction in both tissues. Conclusions: These data demonstrate that perinatal exposure to Pb induces sex-specific changes in hepatic DNA methylation in adulthood, some of which are also present in blood. Ongoing studies will provide additional exposure-specific insights, and include other epigenetic marks that will enable further refinement of the design and analysis of human studies where target tissues are inaccessible.

Background: Maternal exposure to environmental chemicals can cause adverse health effects in offspring. Mounting evidence supports that these effects are influenced, at least in part, by epigenetic modifications. Objective: We examined tissue- and sex-specific changes in DNA methylation (DNAm) associated with human-relevant lead (Pb) and di(2-ethylhexyl) phthalate (DEHP) exposure during perinatal development in cerebral cortex, blood, and liver. Methods: Female mice were exposed to human relevant doses of either Pb (32ppm) via drinking water or DEHP (5 mg/kg-day) via chow for two weeks prior to mating through offspring weaning. Whole genome bisulfite sequencing (WGBS) was utilized to examine DNAm changes in offspring cortex, blood, and liver at 5 months of age. Metilene and methylSig were used to identify differentially methylated regions (DMRs). Annotatr and Chipenrich were used for genomic annotations and geneset enrichment tests of DMRs, respectively. Results: The cortex contained the majority of DMRs associated with Pb (69%) and DEHP (58%) exposure. The cortex also contained the greatest degree of overlap in DMR signatures between sexes (n = 17 and 14 DMRs with Pb and DEHP exposure, respectively) and exposure types (n = 79 and 47 DMRs in males and females, respectively). In all tissues, detected DMRs were preferentially found at genomic regions associated with gene expression regulation (e.g., CpG islands and shores, 5-UTRs, promoters, and exons). An analysis of GO terms associated with DMR-containing genes identified imprinted genes to be impacted by both Pb and DEHP exposure. Of these, Gnas and Grb10 contained DMRs across tissues, sexes, and exposures. DMRs were enriched in the imprinting control regions (ICRs) of Gnas and Grb10, with 15 and 17 ICR-located DMRs across cortex, blood, and liver in each gene, respectively. The ICRs were also the location of DMRs replicated across target and surrogate tissues, suggesting epigenetic changes these regions may be potentially viable biomarkers. Conclusions: We observed Pb- and DEHP-specific DNAm changes in cortex, blood, and liver, and the greatest degree of overlap in DMR signatures was seen between exposures followed by sex and tissue type. DNAm at imprinted control regions was altered by both Pb and DEHP, highlighting the susceptibility of genomic imprinting to these exposures during the perinatal window of development.

Abstract Background Skeletal muscle accounts for the largest proportion of human body mass, on average, and is a key tissue in complex diseases, mobility, and quality of life. It is composed of several different cell and muscle fiber types. Results Here, we optimize single-nucleus ATAC-seq (snATAC-seq) to map skeletal muscle cell-specific chromatin accessibility landscapes in frozen human and rat samples, and single-nucleus RNA-seq (snRNA-seq) to map cell-specific transcriptomes in human. We capture type I and type II muscle fiber signatures, which are generally missed by existing single-cell RNA-seq methods. We perform cross-modality and cross-species integrative analyses on 30,531 nuclei, representing 11 libraries, profiled in this study, and identify seven distinct cell types ranging in abundance from 63% (type II fibers) to 0.9% (muscle satellite cells) of all nuclei. We introduce a regression-based approach to infer cell types by comparing transcription start site-distal ATAC-seq peaks to reference enhancer maps and show consistency with RNA-based marker gene cell type assignments. We find heterogeneity in enrichment of genetic variants linked to complex phenotypes from the UK Biobank and diabetes genome wide association studies in cell-specific ATAC-seq peaks, with the most striking enrichment patterns in muscle mesenchymal stem cells (∼3% of nuclei). Finally, we overlay these chromatin accessibility maps on GWAS data to nominate causal cell types, SNPs, and transcription factor motifs for creatinine levels and type 2 diabetes signals. Conclusions These chromatin accessibility profiles for human and rat skeletal muscle cell types are a useful resource for investigating specific cell types and nominating causal GWAS SNPs and cell types.