Summary The cytoplasm is highly compartmentalized, but the extent and consequences of subcytopIasmic mRNA localization in non-polarized cells are largely unknown. We determined mRNA enrichment in TIS granules (TGs) and the rough endopIasmic reticuIum (ER) through particle sorting and isolated cytosolic mRNAs by digitonin extraction. When focusing on non-membrane protein-encoding mRNAs, we observed that 52% have a biased transcript distribution across these compartments. Compartment enrichment is determined by a combinatorial code based on mRNA length, exon length, and 3′UTR-bound RNA-binding proteins. Compartment-biased mRNAs differ in the functional classes of their encoded proteins: TG-enriched mRNAs encode low-abundance proteins with strong enrichment of transcription factors, whereas ER-enriched mRNAs encode large and highly expressed proteins. Compartment localization is an important determinant of mRNA and protein abundance, which is supported by reporter experiments showing that redirecting cytosolic mRNAs to the ER increases their protein expression. In summary, the cytoplasm is functionally compartmentaIized by local translation environments.

Abstract Approximately half of human genes generate mRNA isoforms that differ in their 3′UTRs while encoding the same protein. 3′UTR and mRNA length is determined by 3′ end cleavage sites (CS). Here, we mapped and categorized mRNA 3′ end CS in more than 200 primary human and mouse cell types, resulting in a 40% increase of CS annotations relative to the GENCODE database. We incorporated these annotations into a novel computational pipeline, called scUTRquant, for rapid, precise, and accurate quantification of gene and 3′UTR isoform expression from single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) data. When applying scUTRquant to data from 474 cell types and 2,134 perturbations, we discovered extensive 3′UTR length changes across cell types that are as widespread and dynamically regulated as gene expression changes. Our data indicate that mRNA abundance and mRNA length are two independent axes of gene regulation that together determine the amount and spatial organization of protein synthesis.

Abstract The stem cell-specific RNA-binding protein TRIM71/LIN-41 was the first identified target of the pro-differentiation and tumor suppressor miRNA let-7. TRIM71 has essential functions in embryonic development and a proposed oncogenic role in several cancer types, such as hepatocellular carcinoma. Here, we show that TRIM71 regulates let-7 expression and activity via two independent mechanisms. On the one hand, TRIM71 enhances pre-let-7 degradation through its direct interaction with LIN28 and TUT4, thereby inhibiting let-7 maturation and indirectly promoting the stabilization of let-7 targets. On the other hand, TRIM71 represses the activity of mature let-7 via its RNA-dependent interaction with the RNA-Induced Silencing Complex (RISC) effector protein AGO2. We found that TRIM71 directly binds and stabilizes let-7 targets, suggesting that let-7 activity inhibition occurs on active RISCs. MiRNA enrichment analysis of several transcriptomic datasets from mouse embryonic stem cells and human hepatocellular carcinoma cells suggests that these let-7 regulatory mechanisms shape transcriptomic changes during developmental and oncogenic processes. Altogether, our work reveals a novel role for TRIM71 as a miRNA repressor and sheds light on the precise mechanistic dual regulation of let-7.

Abstract The TP53 gene encodes the tumor suppressor p53, which is functionally inactivated in many human cancers. Numerous studies found that overexpression of specific microRNAs or RNA-binding proteins can alter p53 expression through binding to cis -regulatory elements in the TP53 3′ untranslated region (3′UTR). Although these studies suggested that 3′UTR-mediated p53 expression regulation could play a role in tumorigenesis or could be exploited for therapeutic purposes, they did not investigate post-transcriptional regulation of the native TP53 gene. We used CRISPR/Cas9 to delete the human and mouse p53 3′UTRs while preserving endogenous mRNA processing. This revealed that the endogenous 3′UTR is not involved in regulating p53 mRNA or protein expression neither in steady state nor after genotoxic stress. As we were able to confirm the previously observed repressive effects of the isolated 3′UTR in reporter assays, our data highlight the importance of genetic models in the validation of post-transcriptional gene regulatory effects.

Abstract The cytoplasm is compartmentalized into different translation environments. mRNAs use their 3′UTRs to localize to distinct cytoplasmic compartments, including TIS granules (TGs). Many transcription factors, including MYC, are translated in TGs. It was shown that translation of proteins in TGs enables the formation of protein complexes that cannot be established when these proteins are translated in the cytosol, but the mechanism is poorly understood. Here we show that MYC protein complexes that involve binding to the intrinsically disordered region (IDR) of MYC are only formed when MYC is translated in TGs. TG-dependent protein complexes require TG-enriched mRNAs for assembly. These mRNAs bind to a new and widespread RNA-binding domain in neutral or negatively charged IDRs in several transcription factors, including MYC. RNA-IDR interaction changes the conformational ensemble of the IDR, enabling the formation of MYC protein complexes that act in the nucleus and control functions that cannot be accomplished by cytosolically-translated MYC. We propose that certain mRNAs have IDR chaperone activity as they control IDR conformations. In addition to post-translational modifications, we found a novel mode of protein activity regulation. Since RNA-IDR interactions are prevalent, we suggest that mRNA-dependent control of protein functional states is widespread.

Abstract Mutations affecting the germline can result in infertility or the generation of germ cell tumors (GCT), highlighting the need to identify and characterize the genes controlling the complex molecular network orchestrating germ cell development. TRIM71 is a stem cell-specific factor essential for embryogenesis, and its expression has been reported in GCT and adult mouse testes. To investigate the role of TRIM71 in mammalian germ cell embryonic development, we generated a germline-specific conditional Trim71 knockout mouse (cKO) using the early primordial germ cell (PGC) marker Nanos3 as a Cre-recombinase driver. cKO mice are infertile, with male mice displaying a Sertoli cell-only (SCO) phenotype, which in humans is defined as a specific subtype of non-obstructive azoospermia characterized by the absence of developing germ cells in the testes’ seminiferous tubules. Infertility originates during embryogenesis, as the SCO phenotype was already apparent in neonatal mice. The in vitro differentiation of mouse embryonic stem cells (ESCs) into PGC-like cells (PGCLCs) revealed reduced numbers of PGCLCs in Trim71 -deficient cells. Furthermore, in vitro growth competition assays with wild type and CRISPR/Cas9-generated TRIM71 mutant NCCIT cells, a human GCT-derived cell line which we used as a surrogate model for proliferating PGCs, showed that TRIM71 promotes NCCIT cell proliferation and survival. Our data collectively suggest that germ cell loss in cKO mice results from combined defects during the specification and maintenance of PGCs prior to their sex determination in the genital ridges. Last, via exome sequencing analysis, we identified several TRIM71 variants in a cohort of infertile men, including a loss-of-function variant in a patient with SCO phenotype. Our work reveals for the first time an association of TRIM71 variants with human male infertility, and uncovers further developmental roles for TRIM71 in the generation and maintenance of germ cells during mouse embryogenesis.