Abstract The epigenetic modifications of histones are essential markers related to the development and pathogenesis of diseases, including human cancers. Mapping histone modification has emerged as the widely used tool for studying epigenetic regulation. However, existing approaches are limited by fragmentation and short-read sequencing represent the average chromatin status in samples and cannot provide information about the long-range chromatin states. We leveraged the advantage of long read sequencing to develop a method “BIND&MODIFY” for profiling the histone modification of individual DNA fibers. Our approach is based on the recombinant fused protein A-M.EcoGII, which tethers the methyltransferase M.EcoGII to the protein binding sites and locally labels the neighboring DNA regions through artificial methylations. We demonstrated that the aggregated BIND&MODIFY signal matches the bulk-level ChIP-seq and CUT&TAG, verify the single-molecule heterogenous histone modification status, and quantify the correlation between distal elements. This method could be an essential tool in future third-generation sequencing ages.

Abstract Conventional approaches to studying 5mC marks in single cells or samples with picogram input DNA amounts usually suffer from low genome coverage due to DNA degradation. Many methods have been developed to optimize the library construction efficiency for bisulfite-treated DNA. However, most of these approaches ignored the amplification bias of bisulfite-treated DNA, which leads to shallow genome coverage. In this study, we developed the T7-assisted enzymatic methyl-sequencing method (TEAM-seq), which adopts enzymatic conversion to minimize DNA degradation and T7 polymerase-assisted unbiased amplification. We demonstrate that TEAM-seq delivered, to the best of our knowledge, the highest reported coverage(70% for 100pg, 35% for 20pg) of single cell genomes in whole-genome 5mC sequencing.

Abstract As the genome is organized into a three-dimensional structure in intracellular space, epigenomic information also has a complex spatial arrangement. However, most epigenetic studies describe locations of methylation marks, chromatin accessibility regions, and histone modifications in the horizontal dimension. Proper spatial epigenomic information has rarely been obtained. In this study, we designed spatial chromatin accessibility sequencing (SCA-seq) to resolve the genome conformation by capturing the epigenetic information in single-molecular resolution while simultaneously resolving the genome conformation. Using SCA-seq, we are able to examine the spatial interaction of chromatin accessibility (e.g. enhancer-promoter contacts), CpG island methylation, and spatial insulating functions of the CCCTC-binding factor. We demonstrate that SCA-seq paves the way to explore the mechanism of epigenetic interactions and extends our knowledge in 3D packaging of DNA in the nucleus.

This study presents a novel approach to understanding DNA movement dynamics through the development of a droplet-based, high-efficient chromatin conformation capture method, known as DropHiChew, and a new algorithm, loop velocity. DropHiChew, a user-friendly and cost-effective technique, employs the 10X single-cell systems allowing for easy experimental implementation. The loop velocity algorithm, on the other hand, enables the estimation of the speed and direction of cell development, providing a dynamic perspective on chromatin movement. Even with shallow sequencing, our loop velocity algorithm accurately gauges the trajectory of DNA motion and cellular states. The combined use of DropHiChew and loop velocity offers potential for a wide array of applications in future chromatin capture studies, including disease modeling, cellular differentiation studies, and developmental biology.

This study presents HiChew, a cutting-edge technique for high-efficiency chromatin conformation capture in single cells, without the need for pre-enrichment. This unique approach minimizes the risk of cell or DNA loss. When compared to Dip-C, HiChew captures valid pairs with 4-8 times more efficiency, reducing wastage and saving significant sequencing budget. Furthermore, HiChew delivers a lower false positive ratio, ensuring data accuracy. It also achieves more contacts per cell, enhancing resolution in single cell. HiChew's superior performance not only enhances single-cell Hi-C but also streamlines conventional Hi-C, making it more robust than conventional HiC methods. This study also unveils a fascinating mechanism of gene activation in the B compartment of chromatin, providing insight into the elusive aspect of gene expression within this region.

Hundreds of thousands of putative circular RNAs have been identified through deep sequencing and bioinformatic analyses. However, the circularity of these putative RNA circles has not been experimentally validated due to limited methodologies currently available. We reported here that the template-switching capability of commonly used reverse transcriptases (e.g., SuperScript II) leads to the formation of artificial junction sequences, and consequently misclassification of large linear RNAs as RNA circles. Use of reverse transcriptases without terminal transferase activity (e.g., MonsterScript) for cDNA synthesis is critical for the identification of physiological circular RNAs. We also report two methods, MonsterScript junction PCR and high-resolution melting curve analyses, which can reliably distinguish circular RNAs from their linear forms and thus, can be used to discover and validate true circular RNAs.

Abstract Coordinated gastric smooth muscle contraction is critical for proper digestion and is adversely affected by a number of gastric motility disorders. In this study we report that the secreted protein Mfge8 (milk fat globule-EGF factor 8) inhibits the contractile responses of human gastric antrum muscles to cholinergic stimuli by reducing the inhibitory phosphorylation of the MYPT1 (myosin phosphatase-targeting subunit 1) subunit of MLCP (myosin light chain phosphatase), resulting in reduced LC20 (smooth muscle myosin regulatory light chain 2) phosphorylation. We show that endogenous Mfge8 is bound to its receptor, α8β1 integrin, in human gastric antrum muscles, suggesting that human gastric antrum muscle mechanical responses are regulated by Mfge8. The regulation of gastric antrum smooth muscles by Mfge8 and α8 integrin functions as a brake on gastric antrum mechanical activities. Further studies of the role of Mfge8 and α8 integrin in regulating gastric antrum function will likely reveal additional novel aspects of gastric smooth muscle motility mechanisms.

The molecular mechanism underlying epigenetic inheritance remains largely unknown. Previous studies have shown that transmission of paternal acquired traits through the male germline (i.e., sperm) requires functional DNMT2 to maintain normal profiles of sperm-borne tRNA-derived small RNAs (tsRNAs). Here we report that maternal transmission of a Kit paramutant phenotype (white tail tip) through the female germline (i.e., oocytes) also requires normal function of DNMT2 and normal profiles of DNMT2-dependent tsRNAs and other small noncoding RNAs (sncRNAs) in sperm. Specifically, ablation of DNMT2 leads to aberrant profiles of tsRNAs and other sncRNAs in sperm, which correlate with drastically dysregulated mRNA transcriptome in pronuclear zygotes derived from oocytes carrying the Kit paramutation and a complete blockage of transmission of the paramutant phenotype through the oocytes. Together with previous reports, the present study suggests that both paternal and maternal transmission of epigenetic phenotypes requires DNMT2-dependent tsRNAs in sperm.

Despite rapid evolution across eutherian mammals, the X-linked miR-506 family miRNAs are located in a region flanked by two highly conserved protein-coding genes (Slitrk2 and Fmr1) on the X chromosome. Intriguingly, these miRNAs are predominantly expressed in the testis, suggesting a potential role in spermatogenesis and male fertility. Here, we report that the X-linked miR-506 family miRNAs were derived from the MER91C DNA transposons and their sequences diverged via LINE1-mediated retrotransposition during evolution. Selective inactivation of individual miRNAs or clusters caused no discernable defects, but simultaneous ablation of five clusters containing nineteen members of the miR-506 family led to reduced male fertility in mice. Despite normal sperm counts, motility and morphology, the KO sperm were less competitive than wild-type sperm when subjected to a polyandrous mating scheme. Transcriptomic and bioinformatic analyses revealed that these X-linked miR-506 family miRNAs, in addition to targeting a set of conserved genes, have gained more targets that are critical for spermatogenesis and embryonic development during evolution. Our data suggest that the miR-506 family miRNAs function to enhance sperm competitiveness and reproductive fitness of the male by finetuning gene expression during spermatogenesis.The X-linked miR-506 family has rapidly evolved in mammals, but their physiological significance remains elusive. Given their abundant and preferential expression in the testis and sperm, these X-linked miRNAs likely play a functional role in spermatogenesis and/or early embryonic development. However, the deletion of either individual miRNA genes or all of the five miRNA clusters encoding 38 mature miRNAs did not cause major fertility defects in mice. When these mutant males were subjected to conditions resembling polyandrous mating, the mutant sperm were much less competitive than the wild-type sperm, rendering the mutant males "functionally infertile". Our data suggest that the miR-506 family of miRNAs regulates sperm competition and the reproductive fitness of the male.

Abstract Although extrachromosomal DNA (ecDNA) has been intensively studied for several decades, the mechanisms underlying its tumorigenic effects have been revealed only recently. In the majority of conventional sequencing studies, the high-throughput short-read sequencing largely ignores the epigenetic status of most ecDNA regions except for the junctional areas. Here, we developed the sequencing of enzyme-accessible chromatin in circular DNA (CCDA-seq) method, which uses methylase to label open chromatin without fragmentation and exonuclease to enrich the ecDNA sequencing depth, followed by long-read nanopore sequencing. Using CCDA-seq, we observed significantly different patterns in nucleosome/regulator binding in ecDNA at a single-molecule resolution. These results deepen the understanding of ecDNA regulatory mechanisms.