Abstract The human and mouse genomes contain instructions that specify RNAs and proteins and govern the timing, magnitude, and cellular context of their production. To better delineate these elements, phase III of the Encyclopedia of DNA Elements (ENCODE) Project has expanded analysis of the cell and tissue repertoires of RNA transcription, chromatin structure and modification, DNA methylation, chromatin looping, and occupancy by transcription factors and RNA-binding proteins. Here we summarize these efforts, which have produced 5,992 new experimental datasets, including systematic determinations across mouse fetal development. All data are available through the ENCODE data portal ( https://www.encodeproject.org ), including phase II ENCODE 1 and Roadmap Epigenomics 2 data. We have developed a registry of 926,535 human and 339,815 mouse candidate cis -regulatory elements, covering 7.9 and 3.4% of their respective genomes, by integrating selected datatypes associated with gene regulation, and constructed a web-based server (SCREEN; http://screen.encodeproject.org ) to provide flexible, user-defined access to this resource. Collectively, the ENCODE data and registry provide an expansive resource for the scientific community to build a better understanding of the organization and function of the human and mouse genomes.

Enhanced CLIP yields complex libraries of RNA components of ribonucleoprotein complexes and maintains single-nucleotide resolution of binding sites. eCLIP enables large scale profiling, as demonstrated with the binding profiles of 73 RBPs in two human cancer cell lines. As RNA-binding proteins (RBPs) play essential roles in cellular physiology by interacting with target RNA molecules, binding site identification by UV crosslinking and immunoprecipitation (CLIP) of ribonucleoprotein complexes is critical to understanding RBP function. However, current CLIP protocols are technically demanding and yield low-complexity libraries with high experimental failure rates. We have developed an enhanced CLIP (eCLIP) protocol that decreases requisite amplification by ∼1,000-fold, decreasing discarded PCR duplicate reads by ∼60% while maintaining single-nucleotide binding resolution. By simplifying the generation of paired IgG and size-matched input controls, eCLIP improves specificity in the discovery of authentic binding sites. We generated 102 eCLIP experiments for 73 diverse RBPs in HepG2 and K562 cells (available at https://www.encodeproject.org ), demonstrating that eCLIP enables large-scale and robust profiling, with amplification and sample requirements similar to those of ChIP-seq. eCLIP enables integrative analysis of diverse RBPs to reveal factor-specific profiles, common artifacts for CLIP and RNA-centric perspectives on RBP activity.

Abstract Many proteins regulate the expression of genes by binding to specific regions encoded in the genome 1 . Here we introduce a new data set of RNA elements in the human genome that are recognized by RNA-binding proteins (RBPs), generated as part of the Encyclopedia of DNA Elements (ENCODE) project phase III. This class of regulatory elements functions only when transcribed into RNA, as they serve as the binding sites for RBPs that control post-transcriptional processes such as splicing, cleavage and polyadenylation, and the editing, localization, stability and translation of mRNAs. We describe the mapping and characterization of RNA elements recognized by a large collection of human RBPs in K562 and HepG2 cells. Integrative analyses using five assays identify RBP binding sites on RNA and chromatin in vivo, the in vitro binding preferences of RBPs, the function of RBP binding sites and the subcellular localization of RBPs, producing 1,223 replicated data sets for 356 RBPs. We describe the spectrum of RBP binding throughout the transcriptome and the connections between these interactions and various aspects of RNA biology, including RNA stability, splicing regulation and RNA localization. These data expand the catalogue of functional elements encoded in the human genome by the addition of a large set of elements that function at the RNA level by interacting with RBPs.

ABSTRACT RNA binding motif protein 20 (RBM20) is a key regulator of alternative splicing in the heart, and its mutation leads to malignant dilated cardiomyopathy (DCM). To understand the mechanism of RBM20-associated DCM, we engineered isogenic human induced pluripotent stem cells (iPSCs) with heterozygous or homozygous DCM-associated missense mutations in RBM20 (R636S) as well as RBM20 knockout (KO) iPSCs. iPSC-derived engineered heart tissues made from these cell lines recapitulated contractile dysfunction of RBM20-associated DCM and revealed greater dysfunction with missense mutations than KO. Analysis of RBM20 RNA binding by eCLIP revealed a gain-of-function preference of mutant RBM20 for 3′ UTR sequences that are shared with amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and processing-body associated RNA binding proteins (FUS, DDX6). Deep RNA sequencing revealed that the RBM20 R636S mutant has unique gene, splicing, polyadenylation and circular RNA defects that differ from RBM20 KO, impacting distinct cardiac signaling pathways. Splicing defects specific to KO or R636S mutations were supported by data from R636S gene-edited pig hearts and eCLIP. Super-resolution microscopy verified that mutant RBM20 maintains limited nuclear localization potential; rather, the mutant protein associates with cytoplasmic processing bodies (DDX6) under basal conditions, and with stress granules (G3BP1) following acute stress. Taken together, our results highlight a novel pathogenic mechanism in cardiac disease through splicing-dependent and -independent pathways that are likely to mediate differential contractile phenotypes and stress-associated heart pathology.

Transcriptome-wide maps of RNA binding protein (RBP)-RNA interactions by immunoprecipitation (IP)-based methods such as RNA IP (RIP) and crosslinking and IP (CLIP) are key starting points for evaluating the molecular roles of the thousands of human RBPs. A significant bottleneck to the application of these methods in diverse cell-lines, tissues and developmental stages, is the availability of validated IP-quality antibodies. Using IP followed by immunoblot assays, we have developed a validated repository of 438 commercially available antibodies that interrogate 365 unique RBPs. In parallel, 362 short-hairpin RNA (shRNA) constructs against 276 unique RBPs were also used to confirm specificity of these antibodies. These antibodies can characterize subcellular RBP localization. With the burgeoning interest in the roles of RBPs in cancer, neurobiology and development, these resources are invaluable to the broad scientific community. Detailed information about these resources is publicly available at the ENCODE portal (https://www.encodeproject.org/).

Abstract Regulation of RNA processing contributes profoundly to tissue development and physiology. Here, we report that serine-arginine-rich splicing factor 1 (SRSF1) is essential for hepatocyte function and survival. Although SRSF1 is mainly known for its many roles in mRNA metabolism, it is also crucial for maintaining genome stability. We show that acute liver damage in the setting of targeted SRSF1 deletion in mice is primarily mediated by the excessive formation of deleterious RNA–DNA hybrids (R-loops), which induce DNA damage. Combining hepatocyte-specific transcriptome, proteome, and RNA binding analyses, we demonstrate that widespread genotoxic stress following SRSF1 depletion results in global inhibition of mRNA transcription and protein synthesis, leading to impaired metabolism and trafficking of lipids. Lipid accumulation in SRSF1-deficient hepatocytes is followed by necroptotic cell death, inflammation, and fibrosis, resulting in NASH-like liver pathology. Importantly, SRSF1-depleted human liver cancer cells recapitulate this pathogenesis illustrating a conserved and fundamental role for SRSF1 in preserving genome integrity and tissue homeostasis. Thus, our study uncovers how accumulation of detrimental R-loops impedes hepatocellular gene expression, triggering metabolic derangements and liver failure.

A critical step in uncovering rules of RNA processing is to study the in vivo regulatory networks of RNA binding proteins (RBPs). Crosslinking and immunoprecipitation (CLIP) methods enabled mapping RBP targets transcriptome-wide, but methodological differences present challenges to large-scale integrated analysis across datasets. The development of enhanced CLIP (eCLIP) enabled the large-scale mapping of targets for 150 RBPs in K562 and HepG2, creating a unique resource of RBP interactomes profiled with a standardized methodology in the same cell types. Here we describe our analysis of 223 enhanced (eCLIP) datasets characterizing 150 RBPs in K562 and HepG2 cell lines, revealing a range of binding modalities, including highly resolved positioning around splicing signals and mRNA untranslated regions that associate with distinct RBP functions. Quantification of enrichment for repetitive and abundant multi-copy elements reveals 70% of RBPs have enrichment for non-mRNA element classes, enables identification of novel ribosomal RNA processing factors and sites and suggests that association with retrotransposable elements reflects multiple RBP mechanisms of action. Analysis of spliceosomal RBPs indicates that eCLIP resolves AQR association after intronic lariat formation (enabling identification of branch points with single-nucleotide resolution) and provides genome-wide validation for a branch point-based scanning model for 3’ splice site recognition. Further, we show that eCLIP peak co-occurrences across RBPs enables the discovery of novel co-interacting RBPs. Finally, we present a protocol for visualization of RBP:RNA complexes in the eCLIP workflow using biotin and standard chemiluminescent visualization reagents, enabling simplified confirmation of ribonucleoprotein enrichment without radioactivity. This work illustrates the value of integrated analysis across eCLIP profiling of RBPs with widely distinct functions to reveal novel RNA biology. Further, our quantification of both mRNA and other element association will enable further research to identify novel roles of RBPs in regulating RNA processing.

NIPBL is an essential loader of cohesin to mediate sister chromatid cohesion and chromatin loop organization. NIPBL mutations cause Cornelia de Lange Syndrome. How NIPBL’s genomic localization is specified is not fully understood. We found that NIPBL localizes to the nucleolus in an RNA-dependent manner and binds directly to ribosomal RNA (rRNA). We identified two RNA binding domains in NIPBL in vitro, both of which are required for efficient rRNA binding in vivo. NIPBL binds to ribosomal DNA (rDNA) in an RNA-stimulated manner, recruits PAF1 and promotes pre-rRNA transcription. Stress that inhibits rRNA synthesis displaces NIPBL from the nucleolus and rDNA. Interestingly, treacle, mutated in Treacher Collins syndrome, tightly binds to and recruits NIPBL to the nucleolus, nucleolar organizer regions, and the stress-induced nucleolar cap. The results reveal that a subpopulation of NIPBL is recruited to the nucleolus through its interaction with RNA and treacle and regulates pre-rRNA transcription.

Genomes encompass all the information necessary to specify the development and function of an organism. In addition to genes, genomes also contain a myriad of functional elements that control various steps in gene expression. A major class of these elements function only when transcribed into RNA as they serve as the binding sites for RNA binding proteins (RBPs), which act to control post-transcriptional processes including splicing, cleavage and polyadenylation, RNA editing, RNA localization, translation, and RNA stability. Despite the importance of these functional RNA elements encoded in the genome, they have been much less studied than genes and DNA elements. Here, we describe the mapping and characterization of RNA elements recognized by a large collection of human RBPs in K562 and HepG2 cells. These data expand the catalog of functional elements encoded in the human genome by addition of a large set of elements that function at the RNA level through interaction with RBPs.

RNA binding proteins (RBPs) are key regulators of RNA processing and cellular function. Technologies to discover RNA targets of RBPs such as TRIBE (targets of RNA binding proteins identified by editing) and STAMP (surveying targets by APOBEC1 mediated profiling) utilize fusions of RNA base-editors (rBEs) to RBPs to circumvent the limitations of immunoprecipitation (CLIP)-based methods that require enzymatic digestion and large amounts of input material. To broaden the repertoire of rBEs suitable for editing-based RBP-RNA interaction studies, we have devised experimental and computational assays in a framework called PRINTER (protein-RNA interaction-based triaging of enzymes that edit RNA) to assess over thirty A-to-I and C-to-U rBEs, allowing us to identify rBEs that expand the characterization of binding patterns for both sequence-specific and broad-binding RBPs. We also propose specific rBEs suitable for dual-RBP applications. We show that the choice between single or multiple rBEs to fuse with a given RBP or pair of RBPs hinges on the editing biases of the rBEs and the binding preferences of the RBPs themselves. We believe our study streamlines and enhances the selection of rBEs for the next generation of RBP-RNA target discovery.