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.

Huntington's disease (HD) is a neurodegenerative disorder caused by a CAG repeat expansion in the first exon of the HTT gene encoding huntingtin. Prior reports have established a correlation between CAG expanded HTT and altered gene expression. However, the mechanisms leading to disruption of RNA processing in HD remain unclear. Here, our analysis of the reported HTT protein interactome identifies interactions with known RNA-binding proteins (RBPs). Total, long-read sequencing and targeted RASL-seq of RNAs from cortex and striatum of the HD mouse model R6/2 reveals increased exon skipping which is confirmed in Q150 and Q175 knock-in mice and in HD human brain. We identify the RBP TDP-43 and the N6-methyladenosine (m6A) writer protein methyltransferase 3 (METTL3) to be upstream regulators of exon skipping in HD. Along with this novel mechanistic insight, we observe decreased nuclear localization of TDP-43 and cytoplasmic accumulation of phosphorylated TDP-43 in HD mice and human brain. In addition, TDP-43 co-localizes with HTT in human HD brain forming novel nuclear aggregate-like bodies distinct from mutant HTT inclusions or previously observed TDP-43 pathologies. Binding of TDP-43 onto RNAs encoding HD-associated differentially expressed and aberrantly spliced genes is decreased. Finally, m6A RNA modification is reduced on RNAs abnormally expressed in striatum from HD R6/2 mouse brain, including at clustered sites adjacent to TDP-43 binding sites. Our evidence supports TDP-43 loss of function coupled with altered m6A modification as a novel mechanism underlying alternative splicing/unannotated exon usage in HD and highlights the critical nature of TDP-43 function across multiple neurodegenerative diseases.

Understanding the normal function of the Huntingtin (HTT) protein is of significance in the design and implementation of therapeutic strategies for Huntington’s disease (HD). Expansion of the CAG repeat in the HTT gene, encoding an expanded polyglutamine (polyQ) repeat within the HTT protein, causes HD and may compromise HTT’s normal activity contributing to HD pathology. Here, we investigated the previously defined role of HTT in autophagy specifically through studying HTT’s association with ubiquitin. We find that HTT interacts directly with ubiquitin in vitro. Tandem affinity purification was used to identify ubiquitinated and ubiquitin-associated proteins that copurify with a HTT N-terminal fragment under basal conditions. Copurification is enhanced by HTT polyQ expansion and reduced by mimicking HTT serine 421 phosphorylation. The identified HTT-interacting proteins include RNA-binding proteins (RBPs) involved in mRNA translation, proteins enriched in stress granules, the nuclear proteome, the defective ribosomal products (DRiPs) proteome and the brain-derived autophagosomal proteome. To determine whether the proteins interacting with HTT are autophagic targets, HTT knockout (KO) cells and immunoprecipitation of lysosomes were used to investigate autophagy in the absence of HTT. HTT KO was associated with reduced abundance of mitochondrial proteins in the lysosome, indicating a potential compromise in basal mitophagy, and increased lysosomal abundance of RBPs which may result from compensatory up-regulation of starvation-induced macroautophagy. We suggest HTT is critical for appropriate basal clearance of mitochondrial proteins and RBPs, hence reduced HTT proteostatic function with mutation may contribute to the neuropathology of HD.

Abstract A major bottleneck in nanocarrier and macromolecule development for therapeutic delivery is our limited understanding of the processes involved in their uptake into target cells. This includes their active interactions with membrane transporters that co-ordinate cellular uptake and processing. Current strategies to elucidate the mechanism of uptake, such as painstaking manipulation of individual effectors with pharmacological inhibitors or specific genetic knockdowns, are limited in scope and biased towards previously studied pathways or the intuition of the investigators. Furthermore, each of these approaches present significant off-target effects, clouding the outcomes. We set out to develop and examine an unbiased whole-genome screening approach using pooled CRISPR/Cas9 libraries for its ability to provide a robust and rapid approach to identify novel effectors of material uptake. Enabling this, we developed a methodology termed fast-library of inserts (FLI)-seq for library preparation and quantitative readout of pooled screens that shows improved technical reproducibility and is easier to perform than existing methods. In this proof-of-concept study we use FLI-seq to identify a solute carrier protein family member, SLC18B1, as a transporter for polymeric micellar nanoparticles, confirming the viability for this approach to yield novel insights into uptake mechanisms.

The CRISPR/Cas9 system has revolutionized genome editing by providing unprecedented DNA-targeting specificity. Here we demonstrate that this system can be applied to facilitate efficient plasmid selection for transformation as well as selective gene insertion into plasmid vectors by cleaving unwanted plasmid byproducts after restriction enzyme digestion and ligation. Using fluorescent and chromogenic proteins as reporters, we demonstrate that CRISPR/Cas9 cleavage excludes unwanted ligation byproducts and increases transformation efficiency of desired inserts from 20% up to 97% ± 3%. This CRISPR/Cas9-Assisted Transformation-Efficient Reaction (CRATER) protocol is a novel, inexpensive, and convenient method for obtaining specific cloning products.

Autism spectrum disorder (ASD) is a genetically complex, clinically heterogeneous neurodevelopmental disease. Recently, our understanding of the molecular abnormalities in ASD has been expanded through transcriptomic analyses of postmortem brains. However, a crucial molecular pathway involved in synaptic development, RNA editing, has not yet been studied on a genome-wide scale. Here, we profiled the global patterns of adenosine-to-inosine (A-to-I) editing in a large cohort of post-mortem ASD brains. Strikingly, we observed a global bias of hypo-editing in ASD brains, common to different brain regions and involving many genes with known neurobiological functions. Through genome-wide protein-RNA binding analyses and detailed molecular assays, we show that the Fragile X proteins, FMRP and FXR1P, interact with ADAR proteins and modulate A-to-I editing. Furthermore, we observed convergent patterns of RNA editing alterations in ASD and Fragile X syndrome, thus establishing RNA editing as a molecular link underlying these two highly related diseases. Our findings support a role for RNA editing dysregulation in ASD and highlight novel mechanisms for RNA editing regulation.

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.

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.