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

SLIDE 1

Chad ¡Niederhuth, ¡University ¡of ¡Georgia ¡ 6/2/17 ¡ 2017 ¡BIF ¡Symposium, ¡Athens, ¡Ga. ¡ 1 ¡

Basics and Prospects in Epigenetics

Beef Cattle ––––––> Plant Biologist?

YUM! ¡ YUM! ¡

Epigenomics ¡

Outline

1. EpigeneHcs ¡vs ¡Epigenomics ¡
2. Methods ¡of ¡Analysis ¡
3. PotenHal ¡ApplicaHons ¡
4. Conclusions ¡

Epigenetics and Epigenomics

hNp://discovermagazine.com/2006/nov/cover ¡ hNp://mutants.maizegdb.org/doku.php?id=paramutaHon_r1 ¡

Environment ¡ Genotype ¡ Phenotype ¡

Epigenome ¡

SLIDE 2

Chad ¡Niederhuth, ¡University ¡of ¡Georgia ¡ 6/2/17 ¡ 2017 ¡BIF ¡Symposium, ¡Athens, ¡Ga. ¡ 2 ¡

C. H. Waddington
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 ¡

The Epigenetic Landscape

Holliday, ¡1942 ¡ Zhang ¡et ¡al, ¡2012 ¡

Robin Holliday

Molecular ¡Biologist ¡
Strand ¡exchange ¡during ¡meiosis ¡– ¡Holliday ¡

JuncHon ¡

1975 ¡proposed ¡DNA ¡methylaHon ¡as ¡mechanism ¡

for ¡regulaHon ¡gene ¡expression ¡

1994 ¡proposed ¡two ¡complimentary ¡definiHons ¡of ¡

Epigene(cs ¡

“study ¡of ¡the ¡changes ¡in ¡gene ¡expression, ¡which ¡
ccur ¡in ¡organisms ¡with ¡differenHated ¡cells, ¡and ¡the ¡

mitoHc ¡inheritance ¡of ¡given ¡paNerns ¡of ¡gene ¡ expression” ¡

“nuclear ¡inheritance, ¡which ¡is ¡not ¡based ¡on ¡

differences ¡in ¡DNA ¡sequence” ¡

The Epigenome

Nature 454, 711-715 (7 August 2008) ¡

Factors ¡that ¡interact ¡with ¡the ¡genome, ¡ defining ¡regions ¡of ¡heterochromaHn ¡and ¡ euchromaHn ¡

DNA ¡methylaHon ¡
HydroxymethylaHon ¡
Histone ¡variants ¡
Histone ¡modificaHons ¡
Small ¡RNAs ¡

SLIDE 3

Chad ¡Niederhuth, ¡University ¡of ¡Georgia ¡ 6/2/17 ¡ 2017 ¡BIF ¡Symposium, ¡Athens, ¡Ga. ¡ 3 ¡

Context Matters

MethylaHon ¡has ¡different ¡

sequence ¡contexts ¡

Plants ¡
CG
CHG ¡(H ¡= ¡A, ¡T, ¡or ¡C) ¡
CHH ¡
Animals ¡
CG
CH

Guo ¡et ¡al, ¡2016 ¡

Context Matters

Schroeder ¡et ¡al, ¡2015 ¡

All UM gbM mCHG mCHH Expression level

All UM gbM mCHG mCHH mCG mCHG mCHH

Histone Variants and Modifications

“Histone ¡Code” ¡
Different ¡variants ¡and ¡

modificaHons ¡mark ¡ different ¡domains ¡of ¡ chromaHn ¡

AssociaHons ¡with ¡changes ¡in ¡

gene ¡expression ¡

Kato ¡et ¡al, ¡2010 ¡

Methods of Analysis: DNA Methylation

¡Kurdyukov ¡and ¡Bullock ¡(2016) ¡DNA ¡MethylaGon ¡Analysis: ¡Choosing ¡the ¡Right ¡Method ¡

SLIDE 4

Chad ¡Niederhuth, ¡University ¡of ¡Georgia ¡ 6/2/17 ¡ 2017 ¡BIF ¡Symposium, ¡Athens, ¡Ga. ¡ 4 ¡

Bisulfite Treatment

PCR ¡
Sanger ¡Sequencing ¡
Arrays ¡
Reduced-‑RepresentaHon ¡

Bisulfite ¡Sequencing ¡

Whole-‑Genome ¡Bisulfite ¡

Sequencing ¡ ¡

pacbio.com ¡ nanoporetech.com ¡

Methods of analysis: Histones

Nucleosome ¡occupancy ¡
DNase-‑seq ¡
ATAC-‑seq ¡
MNase-‑seq ¡
FAIRE-‑seq ¡ ¡
ChromaHn ¡

ImmunoprecipitaHon ¡

Requires ¡an ¡anHbody ¡ ¡

Applications of Epigenomics

SelecHon ¡and ¡Breeding ¡
PredicHng ¡Performance ¡
CreaHng ¡Epigenomic ¡VariaHon ¡
Environmental ¡ManipulaHon ¡
Epigenome ¡Engineering ¡and ¡

ManipulaHon ¡

hNps://www.citelighter.com/ ¡

Selection and Breeding

Roux ¡et ¡al, ¡2011 ¡ Johannes ¡et ¡al, ¡2009 ¡

SLIDE 5

Chad ¡Niederhuth, ¡University ¡of ¡Georgia ¡ 6/2/17 ¡ 2017 ¡BIF ¡Symposium, ¡Athens, ¡Ga. ¡ 5 ¡

Mapping Epigenetic QTL

Johannes ¡et ¡al, ¡2009 ¡

Mammals Reset the Epigenome

Seisenberger ¡et ¡al, ¡2012 ¡

Genetic and Epigenomic Variation

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 ¡

Dog Domestication Epigenomics

Koch ¡et ¡al, ¡2016 ¡

SLIDE 6

Chad ¡Niederhuth, ¡University ¡of ¡Georgia ¡ 6/2/17 ¡ 2017 ¡BIF ¡Symposium, ¡Athens, ¡Ga. ¡ 6 ¡

Predicting Performance

Can ¡epigenomic ¡marks ¡be ¡

used ¡to ¡predict ¡traits? ¡

PredicHng ¡plant ¡height ¡using ¡

DNA ¡methylaHon ¡

epiRIL ¡data ¡
PredicHve ¡correlaHon: ¡0.532 ¡
Concluded ¡epigeneHc ¡

variaHon ¡accounted ¡for ¡65% ¡

f ¡phenotypic ¡variance ¡

Hu ¡et ¡al, ¡2015 ¡

Environmental Manipulation

The ¡environment ¡can ¡affect ¡the ¡

epigenome ¡

Can ¡this ¡be ¡uHlized ¡to ¡produce ¡

desirable ¡outcomes? ¡

In ¡utero ¡ ¡effects? ¡
Maternal ¡imprinHng ¡ ¡
Paternal ¡effects ¡(imprinHng)? ¡
LiNle ¡evidence ¡

hNp://www.thebeefsite.com/arHcles/3150/epigeneHcs-‑a-‑new-‑challenge-‑in-‑the-‑postgenomic-‑era/ ¡

Agouti Gene, Diet, and Methylation

hNp://www.urbanchildinsHtute.org/ ¡

Epigenome Engineering and Manipulation

How ¡can ¡we ¡alter ¡

epigenomes ¡and ¡create ¡ variaHon ¡arHficially? ¡

Chemical ¡ManipulaHon ¡
Genome-‑wide ¡Engineering ¡
Targeted ¡Epigenome ¡

Engineering ¡

Park ¡et ¡al, ¡2016 ¡

SLIDE 7

Chad ¡Niederhuth, ¡University ¡of ¡Georgia ¡ 6/2/17 ¡ 2017 ¡BIF ¡Symposium, ¡Athens, ¡Ga. ¡ 7 ¡

Chemical Manipulation

Zebularine ¡
5-‑azacyHdine ¡

Griffin ¡et ¡al, ¡2016 ¡

Genome-wide Engineering

Niederhuth ¡et ¡al, ¡in ¡prep ¡

0% 25% 50% 75% 4000 5’ 3’ Methylation level

B. distachyon

+4000 0% 1% 2% 3% 10 20 30 40 50

Number of genes CHH weighted methylation

0.0% 2.5% 5.0% 7.5% 10.0% 12.5% 10 20 30 40 50

Number of genes CHH weighted methylation

+4000

0% 25% 50% 75% 4000 5’ 3’ Methylation level

B. distachyon AtCMT2

+4000

CMT2 ¡

Before ¡ Aqer ¡

Targeted Epigenome Engineering

Park ¡et ¡al, ¡2016 ¡ Modifying ¡the ¡genome ¡ediHng ¡toolkit ¡to ¡edit ¡epigenomes ¡

TALE-TET Fusions Demethylation and Gene Expression

Maeder ¡et ¡al, ¡2013 ¡

SLIDE 8

Chad ¡Niederhuth, ¡University ¡of ¡Georgia ¡ 6/2/17 ¡ 2017 ¡BIF ¡Symposium, ¡Athens, ¡Ga. ¡ 8 ¡

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 ¡