The Hippo pathway is crucial in organ size control, and its dysregulation contributes to tumorigenesis. However, upstream signals that regulate the mammalian Hippo pathway have remained elusive. Here, we report that the Hippo pathway is regulated by G-protein-coupled receptor (GPCR) signaling. Serum-borne lysophosphatidic acid (LPA) and sphingosine 1-phosphophate (S1P) act through G12/13-coupled receptors to inhibit the Hippo pathway kinases Lats1/2, thereby activating YAP and TAZ transcription coactivators, which are oncoproteins repressed by Lats1/2. YAP and TAZ are involved in LPA-induced gene expression, cell migration, and proliferation. In contrast, stimulation of Gs-coupled receptors by glucagon or epinephrine activates Lats1/2 kinase activity, thereby inhibiting YAP function. Thus, GPCR signaling can either activate or inhibit the Hippo-YAP pathway depending on the coupled G protein. Our study identifies extracellular diffusible signals that modulate the Hippo pathway and also establishes the Hippo-YAP pathway as a critical signaling branch downstream of GPCR.

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.

Significance The most frequent genetic cause of ALS and frontotemporal degeneration is a hexanucleotide expansion in a noncoding region of the C9orf72 gene. Similar to other repeat expansion diseases, we characterize the hallmark feature of repeat expansion RNA-mediated toxicity: nuclear RNA foci. Remarkably, two distinct sets of foci are found, one containing RNAs transcribed in the sense direction and the other containing antisense RNAs. Antisense oligonucleotides (ASOs) are developed that selectively target sense strand repeat-containing RNAs and reduce sense-oriented foci without affecting overall C9orf72 expression. Importantly, reducing C9orf72 expression does not cause behavioral or pathological changes in mice and induces only a few genome-wide mRNA alterations. These findings establish ASO-mediated degradation of repeat-containing RNAs as a significant therapeutic approach.

The induction of pluripotency or trans-differentiation of one cell type to another can be accomplished with cell-lineage-specific transcription factors. Here, we report that repression of a single RNA binding polypyrimidine-tract-binding (PTB) protein, which occurs during normal brain development via the action of miR-124, is sufficient to induce trans-differentiation of fibroblasts into functional neurons. Besides its traditional role in regulated splicing, we show that PTB has a previously undocumented function in the regulation of microRNA functions, suppressing or enhancing microRNA targeting by competitive binding on target mRNA or altering local RNA secondary structure. A key event during neuronal induction is the relief of PTB-mediated blockage of microRNA action on multiple components of the REST complex, thereby derepressing a large array of neuronal genes, including miR-124 and multiple neuronal-specific transcription factors, in nonneuronal cells. This converts a negative feedback loop to a positive one to elicit cellular reprogramming to the neuronal lineage.

The principal immune mechanism against biotrophic pathogens in plants is the resistance (R)-gene-mediated defence. It was proposed to share components with the broad-spectrum basal defence machinery. However, the underlying molecular mechanism is largely unknown. Here we report the identification of novel genes involved in R-gene-mediated resistance against downy mildew in Arabidopsis and their regulatory control by the circadian regulator, CIRCADIAN CLOCK-ASSOCIATED 1 (CCA1). Numerical clustering based on phenotypes of these gene mutants revealed that programmed cell death (PCD) is the major contributor to resistance. Mutants compromised in the R-gene-mediated PCD were also defective in basal resistance, establishing an interconnection between these two distinct defence mechanisms. Surprisingly, we found that these new defence genes are under circadian control by CCA1, allowing plants to 'anticipate' infection at dawn when the pathogen normally disperses the spores and time immune responses according to the perception of different pathogenic signals upon infection. Temporal control of the defence genes by CCA1 differentiates their involvement in basal and R-gene-mediated defence. Our study has revealed a key functional link between the circadian clock and plant immunity.

Spermatogenesis in mammals is characterized by two waves of piRNA expression: one corresponds to classic piRNAs responsible for silencing retrotransponsons and the second wave is predominantly derived from nontransposon intergenic regions in pachytene spermatocytes, but the function of these pachytene piRNAs is largely unknown. Here, we report the involvement of pachytene piRNAs in instructing massive mRNA elimination in mouse elongating spermatids (ES). We demonstrate that a piRNA-induced silencing complex (pi-RISC) containing murine PIWI (MIWI) and deadenylase CAF1 is selectively assembled in ES, which is responsible for inducing mRNA deadenylation and decay via a mechanism that resembles the action of miRNAs in somatic cells. Such a highly orchestrated program appears to take full advantage of the enormous repertoire of diversified targeting capacity of pachytene piRNAs derived from nontransposon intergenic regions. These findings suggest that pachytene piRNAs are responsible for inactivating vast cellular programs in preparation for sperm production from ES.

Abstract R-loop, a three-stranded nucleic acid structure, has been recognized to play pivotal roles in critical physiological and pathological processes. Multiple technologies have been developed to profile R-loops genome-wide, but the existing data suffer from major discrepancies on determining genuine R-loop localization and its biological functions. Here, we experimentally and computationally evaluate eight representative R-loop mapping technologies, and reveal inherent biases and artifacts of individual technologies as key sources of discrepancies. Analyzing signals detected with different R-loop mapping strategies, we note that genuine R-loops predominately form at gene promoter regions, whereas most signals in gene body likely result from structured RNAs as part of repeat-containing transcripts. Interestingly, our analysis also uncovers two classes of R-loops: The first class consists of typical R-loops where the single-stranded DNA binding protein RPA binds both the template and non-template strands. By contrast, the second class appears independent of Pol II-mediated transcription and is characterized by RPA binding only in the template strand. These two different classes of RNA:DNA hybrids in the genome suggest distinct biochemical activities involved in their formation and regulation. In sum, our findings will guide future use of suitable technology for specific experimental purposes and the interpretation of R-loop functions.

Abstract The amygdala processes positive and negative valence and contributes to the development of addiction, but the underlying cell type-specific gene regulatory programs are unknown. We generated an atlas of single nucleus gene expression and chromatin accessibility in the amygdala of outbred rats with low and high cocaine addiction-like behaviors following prolonged abstinence. Between rats with different addiction indexes, we identified thousands of cell type-specific differentially expressed genes enriched for energy metabolism-related pathways that are known to affect synaptic transmission and action potentials. Rats with high addiction-like behaviors showed enhanced GABAergic transmission in the amygdala, which, along with relapse-like behaviors, were reversed by inhibition of Glyoxalase 1, which metabolizes the GABA A receptor agonist methylglyoxal. Finally, we identified thousands of cell type-specific chromatin accessible sites and transcription factor (TF) motifs where accessibility was associated with addiction index, most notably at motifs for pioneer TFs in the Fox, Sox, helix-loop-helix, and AP1 families.

Abstract Substance abuse and addiction represent a significant public health problem that impacts multiple dimensions of society, including healthcare, the economy, and the workforce. In 2021, over 100,000 drug overdose deaths were reported in the US, with an alarming increase in fatalities related to opioids and psychostimulants. Understanding the fundamental gene regulatory mechanisms underlying addiction and related behaviors could facilitate more effective treatments. To explore how repeated drug exposure alters gene regulatory networks in the brain, we combined capped small (cs)RNA-seq, which accurately captures nascent-like initiating transcripts from total RNA, with Hi-C and single nuclei (sn)ATAC-seq. We profiled initiating transcripts in two addiction-related brain regions, the prefrontal cortex (PFC) and the nucleus accumbens (NAc), from rats that were never exposed to drugs or were subjected to prolonged abstinence after oxycodone or cocaine intravenous self-administration (IVSA). Interrogating over 100,000 active transcription start regions (TSRs) revealed that most TSRs had hallmarks of bonafide enhancers and highlighted the KLF/SP1, RFX, and AP1 transcription factors families as central to establishing brain-specific gene regulatory programs. Analysis of rats with addiction-like behaviors versus controls identified addiction-associated repression of transcription at regulatory enhancers recognized by nuclear receptor subfamily 3 group C (NR3C) factors, which include glucocorticoid receptors. Cell-type deconvolution analysis using snATAC-seq uncovered a potential role of glial cells in driving the gene regulatory programs associated with addiction-related phenotypes. These findings highlight the power of advanced transcriptomics methods to provide insight into how addiction perturbs gene regulatory programs in the brain.

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.