Abstract While DNA N 6 -adenine methylation (6mA) is best known in prokaryotes, its presence in eukaryotes has generated great interest recently. Biochemical and genetic evidence supports that AMT1, a MT-A70 family methyltransferase (MTase), is crucial for 6mA deposition in unicellular eukaryotes. Nonetheless, 6mA transmission mechanism remains to be elucidated. Taking advantage of Single Molecule Real-Time Circular Consensus Sequencing (SMRT CCS), here we provide definitive evidence for semi-conservative transmission of 6mA, showcased in the unicellular eukaryote Tetrahymena thermophila . In wildtype (WT) cells, 6mA occurs at the self-complementary ApT dinucleotide, mostly in full methylation (full-6mApT); hemi-methylation (hemi-6mApT) is transiently present on the parental strand of newly replicated DNA. In Δ AMT1 cells, 6mA predominantly occurs as hemi-6mApT. Hemi-to-full conversion in WT cells is fast, robust, and likely processive, while de novo 6mA deposition in Δ AMT1 cells is slow and sporadic. In Tetrahymena , regularly spaced 6mA clusters coincide with linker DNA of the canonical nucleosome arrays in the gene body. Importantly, in vitro methylation of human chromatin by reconstituted AMT1 complex recapitulates preferential targeting of hemi-6mApT sites in linker DNA, supporting AMT1’s intrinsic and autonomous role in maintenance methylation. We conclude that 6mA is transmitted by a semi-conservative mechanism: full-6mApT is split by DNA replication into hemi-6mApT, which is restored to full-6mApT by AMT1-dependent maintenance methylation. Our study dissects AMT1-dependent maintenance methylation and AMT1-independent de novo methylation, reveals a molecular pathway for 6mA transmission with striking similarity to 5-methyl cytosine (5mC) transmission at the CpG dinucleotide, and establishes 6mA as a bona fide eukaryotic epigenetic mark.

The biology of all organisms is influenced by the associated community of microorganisms. In spite of its importance, it is usually not well understood how exactly this microbiome affects host functions and what are the underlying molecular processes. To rectify this knowledge gap, we took advantage of the nematode C. elegans as a tractable, experimental model system and assessed the inducible transcriptome response after colonization with members of its native microbiome. For this study, we focused on two isolates of the genus Ochrobactrum. These bacteria are known to be abundant in the nematode's microbiome and are capable of colonizing and persisting in the nematode gut, even under stressful conditions. The transcriptome response was assessed across development and three time points of adult life, using general and C. elegans-specific enrichment analyses to identify affected functions. Our assessment revealed an influence of the microbiome members on the nematode's dietary response, development, fertility, immunity, and energy metabolism. This response is mainly regulated by a GATA transcription factor, most likely ELT-2, as indicated by the enrichment of (i) the GATA motif in the promoter regions of inducible genes and (ii) of ELT-2 targets among the differentially expressed genes. We compared our transcriptome results with a corresponding previously characterized proteome data set, highlighting a significant overlap in the differentially expressed genes and the affected functions. Our analysis further identified a core set of 86 genes that consistently responded to the microbiome members across development and adult life, including several C-type lectin-like genes and genes known to be involved in energy metabolism or fertility. We additionally assessed the consequences of induced gene expression with the help of metabolic network model analysis, using a previously established metabolic network for C. elegans. This analysis complemented the enrichment analyses by revealing an influence of the Ochrobactrum isolates on C. elegans energy metabolism and furthermore metabolism of specific amino acids, fatty acids, and also folate biosynthesis. Our findings highlight the multifaceted impact of naturally colonizing microbiome isolates on C. elegans life history and thereby provide a framework for further analysis of microbiome-mediated host functions.

Abstract Stable inheritance of DNA N 6 -methyladenine (6mA) is crucial for its biological functions in eukaryotes. Here, we identify two distinct methyltransferase (MTase) complexes, both sharing the catalytic subunit AMT1, but featuring AMT6 and AMT7 as their unique components, respectively. While the two complexes are jointly responsible for 6mA maintenance methylation, they exhibit distinct enzymology, DNA/chromatin affinity, genomic distribution, and knockout phenotypes. AMT7 complex, featuring high MTase activity and processivity, is connected to transcription-associated epigenetic marks, including H2A.Z and H3K4me3, and is required for the bulk of maintenance methylation. In contrast, AMT6 complex, with reduced activity and processivity, is recruited to initiate maintenance methylation immediately after DNA replication. These two complexes coordinate in maintenance methylation. By integrating signals from both replication and transcription, this mechanism ensures the faithful and efficient transmission of 6mA as an epigenetic mark in eukaryotes. Significance statement DNA N 6 -methyladenine (6mA) has recently been recognized as an epigenetic mark in eukaryotes. The stable inheritance of 6mA is essential for its biological functions. However, the precise mechanisms by which 6mA patterns are faithfully and efficiently transmitted remain largely unknown. Here, we have identified two distinct 6mA methyltransferase (MTase) complexes and elucidated their coordinated role in maintenance methylation. This dual- complex mechanism ensures rapid and accurate methylation at newly replicated loci with proper transcription-associated epigenetic marks.

The microbiome is generally assumed to have a substantial influence on the biology of multicellular organisms. The exact functional contributions of the microbes are often unclear and cannot be inferred easily from 16S rRNA genotyping, which is commonly used for taxonomic characterization of the bacterial associates. In order to bridge this knowledge gap, we here analyzed the metabolic competences of the native microbiome of the model nematode Caenorhabditis elegans. We integrated whole genome sequences of 77 bacterial microbiome members with metabolic modelling and experimental characterization of bacterial physiology. We found that, as a community, the microbiome can synthesize all essential nutrients for C. elegans. Both metabolic models and experimental analyses further revealed that nutrient context can influence how bacteria interact within the microbiome. We identified key bacterial traits that are likely to influence the microbe's ability to colonize C. elegans (e.g., pyruvate fermentation to acetoin) and the resulting effects on nematode fitness (e.g., hydroxyproline degradation). Considering that the microbiome is usually neglected in the comprehensive research on this nematode, the resource presented here will help our understanding of C. elegans biology in a more natural context. Our integrative approach moreover provides a novel, general framework to dissect microbiome-mediated functions.

The ciliate protozoan Tetrahymena thermophila contains two types of structurally and functionally differentiated nuclei: the transcriptionally active somatic macronucleus (MAC) and the transcriptionally silent germ-line micronucleus (MIC). Here we demonstrate that MAC features well-positioned nucleosomes downstream of transcription start sites (TSS) likely connected with promoter proximal pausing of RNA polymerase II, as well as in exonic regions flanking both the 5′ and 3′ splice sites. In contrast, nucleosomes in MIC are more delocalized. Nucleosome occupancy in MAC and MIC are nonetheless highly correlated with each other and with predictions based upon DNA sequence features. Arrays of well-positioned nucleosomes are often correlated with GC content oscillations, suggesting significant contributions from cis-determinants. We propose that cis- and trans-determinants may coordinately accommodate some well-positioned nucleosomes with important functions, driven by a process in which positioned nucleosomes shape the mutational landscape of associated DNA sequences, while the DNA sequences in turn reinforce nucleosome positioning.

Ciliates contain two kinds of nuclei: the germline micronucleus (MIC) and the somatic macronucleus (MAC) in a single cell. The MAC usually have fragmented chromosomes. These fragmented chromosomes, capped with telomeres at both ends, could be gene size to several megabases in length among different ciliate species. So far, no telomere-to-telomere assembly of entire MAC genome in ciliate species is finished. Development of the third generation sequencing technologies allows to generate sequencing reads up to megabases in length that could possibly span an entire MAC chromosome. Taking advantage of ultra-long Nanopore reads, we established a simple strategy for the complete assembly of ciliate MAC genomes. Using this strategy, we assembled the complete MAC genomes of two ciliate species Tetrahymena thermophila and Tetrahymena shanghaiensis, composed of 181 and 214 chromosomes telomere-to-telomere respectively. The established strategy as well as the high-quality genome data will provide a useful approach for ciliate genome assembly, and a valuable community resource for further biological, evolutionary and population genomic studies.