Offspring affected by sperm small RNAs Paternal dietary conditions in mammals influence the metabolic phenotypes of offspring. Although prior work suggests the involvement of epigenetic pathways, the mechanisms remains unclear. Two studies now show that altered paternal diet affects the level of small RNAs in mouse sperm. Chen et al. injected sperm transfer RNA (tRNA) fragments from males that had been kept on a high-fat diet into normal oocytes. The progeny displayed metabolic disorders and concomitant alteration of genes in metabolic pathways. Sharma et al. observed the biogenesis and function of small tRNA-derived fragments during sperm maturation. Further understanding of the mechanisms by which progeny are affected by parental exposure may affect human diseases such as diet-induced metabolic disorders. Science , this issue p. 397 , p. 391

Colorectal cancer, a commonly diagnosed cancer in the elderly, often develops slowly from benign polyps called adenoma. The gut microbiota is believed to be directly involved in colorectal carcinogenesis. The identity and functional capacity of the adenoma- or carcinoma-related gut microbe(s), however, have not been surveyed in a comprehensive manner. Here we perform a metagenome-wide association study (MGWAS) on stools from advanced adenoma and carcinoma patients and from healthy subjects, revealing microbial genes, strains and functions enriched in each group. An analysis of potential risk factors indicates that high intake of red meat relative to fruits and vegetables appears to associate with outgrowth of bacteria that might contribute to a more hostile gut environment. These findings suggest that faecal microbiome-based strategies may be useful for early diagnosis and treatment of colorectal adenoma or carcinoma. The gut microbiota is involved in the development of colorectal cancer. Here, the authors analyse the faecal microbiomes of healthy subjects and of patients with colorectal cancer or benign adenoma, revealing microbial genes, strains and functions enriched in each group.

A comparison of different ways of generating induced pluripotent stem cells helps researchers choose the most appropriate method for particular applications. Human induced pluripotent stem cells (hiPSCs1,2,3) are useful in disease modeling and drug discovery, and they promise to provide a new generation of cell-based therapeutics. To date there has been no systematic evaluation of the most widely used techniques for generating integration-free hiPSCs. Here we compare Sendai-viral (SeV)4, episomal (Epi)5 and mRNA transfection mRNA6 methods using a number of criteria. All methods generated high-quality hiPSCs, but significant differences existed in aneuploidy rates, reprogramming efficiency, reliability and workload. We discuss the advantages and shortcomings of each approach, and present and review the results of a survey of a large number of human reprogramming laboratories on their independent experiences and preferences. Our analysis provides a valuable resource to inform the use of specific reprogramming methods for different laboratories and different applications, including clinical translation.

Andrew Feinberg, Christine Iacobuzio-Donahue and colleagues describe the epigenomic reprogramming that occurs during pancreatic cancer progression. They also show that hematogenous metastases co-evolve a dependence on the oxidative branch of the pentose phosphate pathway (oxPPP) and that oxPPP inhibition reverses chromatin reprogramming and blocks tumorigenic potential. During the progression of pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC), heterogeneous subclonal populations emerge that drive primary tumor growth, regional spread, distant metastasis, and patient death. However, the genetics of metastases largely reflects that of the primary tumor in untreated patients, and PDAC driver mutations are shared by all subclones. This raises the possibility that an epigenetic process might operate during metastasis. Here we report large-scale reprogramming of chromatin modifications during the natural evolution of distant metastasis. Changes were targeted to thousands of large chromatin domains across the genome that collectively specified malignant traits, including euchromatin and large organized chromatin histone H3 lysine 9 (H3K9)-modified (LOCK) heterochromatin. Remarkably, distant metastases co-evolved a dependence on the oxidative branch of the pentose phosphate pathway (oxPPP), and oxPPP inhibition selectively reversed reprogrammed chromatin, malignant gene expression programs, and tumorigenesis. These findings suggest a model whereby linked metabolic–epigenetic programs are selected for enhanced tumorigenic fitness during the evolution of distant metastasis.

The discovery of RNAs (for example, messenger RNAs, non-coding RNAs) in sperm has opened the possibility that sperm may function by delivering additional paternal information aside from solely providing the DNA 1 . Increasing evidence now suggests that sperm small non-coding RNAs (sncRNAs) can mediate intergenerational transmission of paternally acquired phenotypes, including mental stress2,3 and metabolic disorders4–6. How sperm sncRNAs encode paternal information remains unclear, but the mechanism may involve RNA modifications. Here we show that deletion of a mouse tRNA methyltransferase, DNMT2, abolished sperm sncRNA-mediated transmission of high-fat-diet-induced metabolic disorders to offspring. Dnmt2 deletion prevented the elevation of RNA modifications (m5C, m2G) in sperm 30–40 nt RNA fractions that are induced by a high-fat diet. Also, Dnmt2 deletion altered the sperm small RNA expression profile, including levels of tRNA-derived small RNAs and rRNA-derived small RNAs, which might be essential in composing a sperm RNA ‘coding signature’ that is needed for paternal epigenetic memory. Finally, we show that Dnmt2-mediated m5C contributes to the secondary structure and biological properties of sncRNAs, implicating sperm RNA modifications as an additional layer of paternal hereditary information. Zhang et al. report that tRNA methyltransferase Dnmt2 is required for sperm small-non-coding-RNA-mediated transmission of paternal metabolic disorders to the offspring.

DNA methylation plays an important role in biological processes in human health and disease. Recent technological advances allow unbiased whole-genome DNA methylation (methylome) analysis to be carried out on human cells. Using whole-genome bisulfite sequencing at 24.7-fold coverage (12.3-fold per strand), we report a comprehensive (92.62%) methylome and analysis of the unique sequences in human peripheral blood mononuclear cells (PBMC) from the same Asian individual whose genome was deciphered in the YH project. PBMC constitute an important source for clinical blood tests world-wide. We found that 68.4% of CpG sites and <0.2% of non-CpG sites were methylated, demonstrating that non-CpG cytosine methylation is minor in human PBMC. Analysis of the PBMC methylome revealed a rich epigenomic landscape for 20 distinct genomic features, including regulatory, protein-coding, non-coding, RNA-coding, and repeat sequences. Integration of our methylome data with the YH genome sequence enabled a first comprehensive assessment of allele-specific methylation (ASM) between the two haploid methylomes of any individual and allowed the identification of 599 haploid differentially methylated regions (hDMRs) covering 287 genes. Of these, 76 genes had hDMRs within 2 kb of their transcriptional start sites of which >80% displayed allele-specific expression (ASE). These data demonstrate that ASM is a recurrent phenomenon and is highly correlated with ASE in human PBMCs. Together with recently reported similar studies, our study provides a comprehensive resource for future epigenomic research and confirms new sequencing technology as a paradigm for large-scale epigenomics studies.

DNA methylation plays important biological roles in plants and animals. To examine the rice genomic methylation landscape and assess its functional significance, we generated single-base resolution DNA methylome maps for Asian cultivated rice Oryza sativa ssp. japonica, indica and their wild relatives, Oryza rufipogon and Oryza nivara.The overall methylation level of rice genomes is four times higher than that of Arabidopsis. Consistent with the results reported for Arabidopsis, methylation in promoters represses gene expression while gene-body methylation generally appears to be positively associated with gene expression. Interestingly, we discovered that methylation in gene transcriptional termination regions (TTRs) can significantly repress gene expression, and the effect is even stronger than that of promoter methylation. Through integrated analysis of genomic, DNA methylomic and transcriptomic differences between cultivated and wild rice, we found that primary DNA sequence divergence is the major determinant of methylational differences at the whole genome level, but DNA methylational difference alone can only account for limited gene expression variation between the cultivated and wild rice. Furthermore, we identified a number of genes with significant difference in methylation level between the wild and cultivated rice.The single-base resolution methylomes of rice obtained in this study have not only broadened our understanding of the mechanism and function of DNA methylation in plant genomes, but also provided valuable data for future studies of rice epigenetics and the epigenetic differentiation between wild and cultivated rice.

Comparison between groups of monozygotic (MZ) and dizygotic (DZ) twins enables an estimation of the relative contribution of genetic and shared and nonshared environmental factors to phenotypic variability. Using DNA methylation profiling of ∼20,000 CpG sites as a phenotype, we have examined discordance levels in three neonatal tissues from 22 MZ and 12 DZ twin pairs. MZ twins exhibit a wide range of within-pair differences at birth, but show discordance levels generally lower than DZ pairs. Within-pair methylation discordance was lowest in CpG islands in all twins and increased as a function of distance from islands. Variance component decomposition analysis of DNA methylation in MZ and DZ pairs revealed a low mean heritability across all tissues, although a wide range of heritabilities was detected for specific genomic CpG sites. The largest component of variation was attributed to the combined effects of nonshared intrauterine environment and stochastic factors. Regression analysis of methylation on birth weight revealed a general association between methylation of genes involved in metabolism and biosynthesis, providing further support for epigenetic change in the previously described link between low birth weight and increasing risk for cardiovascular, metabolic, and other complex diseases. Finally, comparison of our data with that of several older twins revealed little evidence for genome-wide epigenetic drift with increasing age. This is the first study to analyze DNA methylation on a genome scale in twins at birth, further highlighting the importance of the intrauterine environment on shaping the neonatal epigenome.