Basics and Prospects in YUM! YUM! Epigenomics Epigenetics - PowerPoint PPT Presentation

Chad ¡Niederhuth, ¡University ¡of ¡Georgia ¡ 6/2/17 ¡ Beef Cattle ––––––> Plant Biologist? Basics and Prospects in YUM! ¡ YUM! ¡ Epigenomics ¡ Epigenetics Outline Epigenetics and Epigenomics Environment ¡ 1. EpigeneHcs ¡vs ¡Epigenomics ¡ 2. Methods ¡of ¡Analysis ¡ hNp://mutants.maizegdb.org/doku.php?id=paramutaHon_r1 ¡ 3. PotenHal ¡ApplicaHons ¡ Epigenome ¡ Genotype ¡ Phenotype ¡ 4. Conclusions ¡ hNp://discovermagazine.com/2006/nov/cover ¡ 2017 ¡BIF ¡Symposium, ¡Athens, ¡Ga. ¡ 1 ¡

Chad ¡Niederhuth, ¡University ¡of ¡Georgia ¡ 6/2/17 ¡ C. H. Waddington The Epigenetic Landscape • Developmental ¡Biologist ¡ • Interested ¡in ¡ epigenesis : ¡ Development ¡of ¡an ¡organism ¡ from ¡an ¡undifferenHated ¡state ¡ • 1942: ¡coined ¡the ¡term ¡ Epigene(cs ¡and ¡concept ¡of ¡ Epigene(c ¡Landscape ¡to ¡describe ¡ how ¡cells ¡differenHated ¡ Holliday, ¡1942 ¡ Zhang ¡et ¡al, ¡2012 ¡ Robin Holliday The Epigenome Factors ¡that ¡interact ¡with ¡the ¡genome, ¡ • Molecular ¡Biologist ¡ defining ¡regions ¡of ¡heterochromaHn ¡and ¡ • Strand ¡exchange ¡during ¡meiosis ¡– ¡Holliday ¡ euchromaHn ¡ JuncHon ¡ • 1975 ¡proposed ¡DNA ¡methylaHon ¡as ¡mechanism ¡ for ¡regulaHon ¡gene ¡expression ¡ • DNA ¡methylaHon ¡ • HydroxymethylaHon ¡ • 1994 ¡proposed ¡two ¡complimentary ¡definiHons ¡of ¡ Epigene(cs ¡ • Histone ¡variants ¡ • “study ¡of ¡the ¡changes ¡in ¡gene ¡expression, ¡which ¡ occur ¡in ¡organisms ¡with ¡differenHated ¡cells, ¡and ¡the ¡ mitoHc ¡inheritance ¡of ¡given ¡paNerns ¡of ¡gene ¡ • Histone ¡modificaHons ¡ expression” ¡ • “ nuclear ¡inheritance, ¡which ¡is ¡not ¡based ¡on ¡ differences ¡in ¡DNA ¡sequence ” ¡ • Small ¡RNAs ¡ Nature 454 , 711-715 (7 August 2008) ¡ 2017 ¡BIF ¡Symposium, ¡Athens, ¡Ga. ¡ 2 ¡

Chad ¡Niederhuth, ¡University ¡of ¡Georgia ¡ 6/2/17 ¡ Context Matters Context Matters • MethylaHon ¡has ¡different ¡ sequence ¡contexts ¡ All UM gbM mCHG mCHH • Plants ¡ • CG mCG mCHG mCHH • CHG ¡(H ¡= ¡A, ¡T, ¡or ¡C) ¡ Expression • CHH ¡ level • Animals ¡ • CG All UM gbM mCHG mCHH • CH Schroeder ¡et ¡al, ¡2015 ¡ Guo ¡et ¡al, ¡2016 ¡ Histone Variants and Modifications Methods of Analysis: DNA Methylation ¡Kurdyukov ¡and ¡Bullock ¡(2016) ¡DNA ¡MethylaGon ¡Analysis: ¡Choosing ¡the ¡Right ¡Method ¡ • “Histone ¡Code” ¡ • Different ¡variants ¡and ¡ modificaHons ¡mark ¡ different ¡domains ¡of ¡ chromaHn ¡ • AssociaHons ¡with ¡changes ¡in ¡ gene ¡expression ¡ Kato ¡et ¡al, ¡2010 ¡ 2017 ¡BIF ¡Symposium, ¡Athens, ¡Ga. ¡ 3 ¡

Chad ¡Niederhuth, ¡University ¡of ¡Georgia ¡ 6/2/17 ¡ Bisulfite Treatment Methods of analysis: Histones • Nucleosome ¡occupancy ¡ • PCR ¡ • DNase-­‑seq ¡ • Sanger ¡Sequencing ¡ • ATAC-­‑seq ¡ • Arrays ¡ • MNase-­‑seq ¡ • Reduced-­‑RepresentaHon ¡ • FAIRE-­‑seq ¡ ¡ Bisulfite ¡Sequencing ¡ • ChromaHn ¡ • Whole-­‑Genome ¡Bisulfite ¡ ImmunoprecipitaHon ¡ Sequencing ¡ ¡ • Requires ¡an ¡anHbody ¡ ¡ nanoporetech.com ¡ pacbio.com ¡ Applications of Epigenomics Selection and Breeding • SelecHon ¡and ¡Breeding ¡ • PredicHng ¡Performance ¡ • CreaHng ¡Epigenomic ¡VariaHon ¡ • Environmental ¡ManipulaHon ¡ • Epigenome ¡Engineering ¡and ¡ Roux ¡et ¡al, ¡2011 ¡ ManipulaHon ¡ hNps://www.citelighter.com/ ¡ Johannes ¡et ¡al, ¡2009 ¡ 2017 ¡BIF ¡Symposium, ¡Athens, ¡Ga. ¡ 4 ¡

Chad ¡Niederhuth, ¡University ¡of ¡Georgia ¡ 6/2/17 ¡ Mapping Epigenetic QTL Mammals Reset the Epigenome Johannes ¡et ¡al, ¡2009 ¡ Seisenberger ¡et ¡al, ¡2012 ¡ Genetic and Epigenomic Variation Dog Domestication Epigenomics • methyl-­‑QTL ¡(mQTL) ¡ • AssociaHon ¡of ¡DNA ¡ methylaHon ¡with ¡geneHc ¡ variaHon ¡ • ~35% ¡C-­‑DMRs ¡in ¡ Arabidopsis ¡associate ¡with ¡ an ¡mQTL ¡ • Likely ¡an ¡underesHmate ¡ Schmitz ¡et ¡al, ¡2013 ¡ Koch ¡et ¡al, ¡2016 ¡ 2017 ¡BIF ¡Symposium, ¡Athens, ¡Ga. ¡ 5 ¡

Chad ¡Niederhuth, ¡University ¡of ¡Georgia ¡ 6/2/17 ¡ Predicting Performance Environmental Manipulation • Can ¡epigenomic ¡marks ¡be ¡ • The ¡environment ¡can ¡affect ¡the ¡ epigenome ¡ used ¡to ¡predict ¡traits? ¡ • Can ¡this ¡be ¡uHlized ¡to ¡produce ¡ desirable ¡outcomes? ¡ • PredicHng ¡plant ¡height ¡using ¡ DNA ¡methylaHon ¡ • In ¡utero ¡ ¡effects? ¡ • epiRIL ¡data ¡ • Maternal ¡imprinHng ¡ ¡ • PredicHve ¡correlaHon: ¡0.532 ¡ • Concluded ¡epigeneHc ¡ • Paternal ¡effects ¡(imprinHng)? ¡ variaHon ¡accounted ¡for ¡65% ¡ • LiNle ¡evidence ¡ of ¡phenotypic ¡variance ¡ hNp://www.thebeefsite.com/arHcles/3150/epigeneHcs-­‑a-­‑new-­‑challenge-­‑in-­‑the-­‑postgenomic-­‑era/ ¡ Hu ¡et ¡al, ¡2015 ¡ Epigenome Engineering and Agouti Gene, Diet, and Methylation Manipulation • How ¡can ¡we ¡alter ¡ epigenomes ¡and ¡create ¡ variaHon ¡arHficially? ¡ • Chemical ¡ManipulaHon ¡ • Genome-­‑wide ¡Engineering ¡ • Targeted ¡Epigenome ¡ Engineering ¡ Park ¡et ¡al, ¡2016 ¡ hNp://www.urbanchildinsHtute.org/ ¡ 2017 ¡BIF ¡Symposium, ¡Athens, ¡Ga. ¡ 6 ¡

Chad ¡Niederhuth, ¡University ¡of ¡Georgia ¡ 6/2/17 ¡ Genome-wide Engineering Chemical Manipulation Before ¡ Aqer ¡ • Zebularine ¡ B. distachyon B. distachyon AtCMT2 • 5-­‑azacyHdine ¡ 75% 75% Methylation level Methylation level CMT2 ¡ +4000 50% 50% 25% 25% 0% 0% 4000 5’ 3’ +4000 4000 5’ 3’ +4000 3% 12.5% CHH weighted methylation CHH weighted methylation 10.0% 2% 7.5% 5.0% 1% 2.5% 0% 0.0% 0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50 Griffin ¡et ¡al, ¡2016 ¡ Number of genes Number of genes Niederhuth ¡et ¡al, ¡in ¡prep ¡ TALE-TET Fusions Demethylation and Targeted Epigenome Engineering Gene Expression Modifying ¡the ¡genome ¡ediHng ¡toolkit ¡to ¡edit ¡epigenomes ¡ Maeder ¡et ¡al, ¡2013 ¡ Park ¡et ¡al, ¡2016 ¡ 2017 ¡BIF ¡Symposium, ¡Athens, ¡Ga. ¡ 7 ¡

Chad ¡Niederhuth, ¡University ¡of ¡Georgia ¡ 6/2/17 ¡ Conclusions • EpigeneGcs: ¡ “nuclear ¡inheritance, ¡which ¡is ¡not ¡based ¡on ¡differences ¡in ¡ DNA ¡sequence” ¡ • Variety ¡of ¡methods ¡for ¡analysis ¡ • Sequencing ¡approaches ¡have ¡highest ¡resoluHon, ¡but ¡are ¡expensive ¡ • ApplicaHons ¡of ¡EpigeneHcs ¡and ¡Epigenomics ¡ • Resesng ¡of ¡epigenome ¡and ¡cost ¡of ¡sequencing ¡limit ¡possibiliHes ¡ • Lots ¡of ¡opportunity ¡in ¡Beef ¡CaNle ¡Epigenomics ¡ 2017 ¡BIF ¡Symposium, ¡Athens, ¡Ga. ¡ 8 ¡