The genomes of large multicellular eukaryotes are mostly comprised of non-protein coding DNA. Although there has been much agreement that a small fraction of these genomes has important biological functions, there has been much debate as to whether the rest contributes to development and/or homeostasis. Much of the speculation has centered on the genomic regions that are transcribed into RNA at some low level. Unfortunately these RNAs have been arbitrarily assigned various names, such as "intergenic RNA," "long non-coding RNAs" etc., which have led to some confusion in the field. Many researchers believe that these transcripts represent a vast, unchartered world of functional non-coding RNAs (ncRNAs), simply because they exist. However, there are reasons to question this Panglossian view because it ignores our current understanding of how evolution shapes eukaryotic genomes and how the gene expression machinery works in eukaryotic cells. Although there are undoubtedly many more functional ncRNAs yet to be discovered and characterized, it is also likely that many of these transcripts are simply junk. Here, we discuss how to determine whether any given ncRNA has a function. Importantly, we advocate that in the absence of any such data, the appropriate null hypothesis is that the RNA in question is junk.

The endoplasmic reticulum (ER) consists of the nuclear envelope and a peripheral network of tubules and membrane sheets. The tubules are shaped by the curvature-stabilizing proteins reticulons and DP1/Yop1p, but how the sheets are formed is unclear. Here, we identify several sheet-enriched membrane proteins in the mammalian ER, including proteins that translocate and modify newly synthesized polypeptides, as well as coiled-coil membrane proteins that are highly upregulated in cells with proliferated ER sheets, all of which are localized by membrane-bound polysomes. These results indicate that sheets and tubules correspond to rough and smooth ER, respectively. One of the coiled-coil proteins, Climp63, serves as a “luminal ER spacer” and forms sheets when overexpressed. More universally, however, sheet formation appears to involve the reticulons and DP1/Yop1p, which localize to sheet edges and whose abundance determines the ratio of sheets to tubules. These proteins may generate sheets by stabilizing the high curvature of edges.

Microtubule (MT) stabilization is regulated by the small guanosine triphosphate (GTP)–binding protein Rho and its effector, mammalian homolog of Diaphanous (mDia), in migrating cells, but factors responsible for localized stabilization at the leading edge are unknown. We report that integrin-mediated activation of focal adhesion kinase (FAK) at the leading edge is required for MT stabilization by the Rho-mDia signaling pathway in mouse fibroblasts. MT stabilization also involved FAK-regulated localization of a lipid raft marker, ganglioside G M1 , to the leading edge. The integrin-FAK signaling pathway may facilitate Rho-mDia signaling through G M1 , or through a specialized membrane domain containing G M1 , to stabilize MTs in the leading edge of migrating cells.

Abstract The nuclear pore complex (NPC) is the sole bidirectional gateway for nucleocytoplasmic transport. Despite recent progress in elucidating the NPC symmetric core architecture, the asymmetrically decorated cytoplasmic face, essential for mRNA export and a hotspot for nucleoporin-associated diseases, has remained elusive. Here, we report a composite structure of the entire human cytoplasmic face obtained by combining biochemical reconstitution, crystal structure determination, docking into cryo-electron tomographic reconstructions, and physiological validation, accounting for a third of the NPC’s mass. Whereas an evolutionarily conserved ∼540 kDa hetero-hexameric cytoplasmic filament nucleoporin complex is anchored by species-specific motifs above the central transport channel, attachment of the pentameric NUP358 bundles depends on the double-ring arrangement of the coat nucleoporin complex. Our results and the predictive power of our composite structure provide a rich foundation for elucidating the molecular basis of mRNA export and nucleoporin diseases. One sentence summary An interdisciplinary analysis established the near-atomic molecular architecture of the cytoplasmic face of the human nuclear pore complex.

Abstract Stress granules are cytoplasmic membraneless organelles that sequester proteins and non-translating mRNAs in response to various stressors. To assess the contributions of mRNA and RNA-binding proteins to stress granule formation, we use microinjection to deliver protein-free mRNA into the cytoplasm in a controlled manner. We demonstrate that mRNAs trigger stress granule formation through two mechanisms that are enhanced by the presence of G3BP1 and G3BP2. Low concentrations of in vitro transcribed mRNA activated protein kinase R (PKR), leading to phosphorylation and inhibition of the eukaryotic translation initiation factor eIF2α and stress granule formation. This was inhibited by replacing uridine with pseudouridine in the mRNA or by treating it with RNase III, which cleaves double-stranded RNA. High concentrations of mRNA triggered stress granule formation by a mechanism that was independent of PKR and enhanced by G3BP1/2, highlighting the importance of both protein-free mRNA and RNA-binding proteins in stress granule formation. Graphical Abstract/Model Summary Microinjected mRNA induces stress granules in mammalian cells by two G3BP1/2-dependent mechanisms: one requires the stress-sensing protein kinase PKR to phosphorylate the translation initiation factor eIF2α, and the other is independent of PKR and phospho-eIF2α and acts when the cytoplasmic concentration of ribosome-free mRNA is increased acutely.

Abstract In vertebrates, most protein-coding genes have a peak of GC-content near their 5’ transcriptional start site (TSS). This feature promotes both the efficient nuclear export and translation of mRNAs. Despite the importance of GC-content for RNA metabolism, its general features, origin, and maintenance remain mysterious. We investigated the evolutionary forces shaping GC-content at the transcriptional start site (TSS) of genes through both comparative genomic analysis of nucleotide substitution rates between different species and by examining human de novo mutations. Our data suggests that GC-peaks at TSSs were present in the last vertebrate common ancestor and are largely dictated by recombination patterns. We observe that in primates and rodents, where recombination is directed away from TSSs by PRDM9, GC-content at protein-coding gene TSSs is currently undergoing mutational decay. In canids, which lack PRDM9 and perform recombination at TSSs, GC-content at protein-coding gene TSSs is increasing. These patterns extend into the open reading frame affecting protein-coding regions, and we show that changes in GC-content due to recombination affect synonymous codon position choices at the start of the open reading frame. Our results indicate that although high GC-content in protein-coding genes may be shaped by selective pressures to enhance expression, the dynamics of GC-content in mammals are largely shaped by patterns of recombination.

Abstract Background In vertebrates, most protein-coding genes have a peak of GC-content near their 5′ transcriptional start site (TSS). This feature promotes both the efficient nuclear export and translation of mRNAs. Despite the importance of GC-content for RNA metabolism, its general features, origin, and maintenance remain mysterious. We investigate the evolutionary forces shaping GC-content at the transcriptional start site (TSS) of genes through both comparative genomic analysis of nucleotide substitution rates between different species and by examining human de novo mutations. Results Our data suggests that GC-peaks at TSSs were present in the last common ancestor of amniotes, and likely that of vertebrates. We observe that in apes and rodents, where recombination is directed away from TSSs by PRDM9, GC-content at the 5′ end of protein-coding gene is currently undergoing mutational decay. In canids, which lack PRDM9 and perform recombination at TSSs, GC-content at the 5′ end of protein-coding is increasing. We show that these patterns extend into the 5′ end of the open reading frame, thus impacting synonymous codon position choices. Conclusions Our results indicate that the dynamics of this GC-peak in amniotes is largely shaped by historic patterns of recombination. Since decay of GC-content towards the mutation rate equilibrium is the default state for non-functional DNA, the observed decrease in GC-content at TSSs in apes and rodents indicates that the GC-peak is not being maintained by selection on most protein-coding genes in those species.

Abstract Quality control of mRNA represents an important regulatory mechanism for gene expression in eukaryotes. One component of this quality control is the nuclear retention and decay of misprocessed RNAs. Previously, we demonstrated that mature mRNAs containing a 5’ splice site (5’SS) motif, which is typically found in misprocessed RNAs such as intronic polyadenylated (IPA) transcripts, are nuclear retained and degraded. Here we demonstrate that these transcripts require the zinc finger protein ZFC3H1 for their decay and nuclear retention into nuclear speckles. Furthermore, we find that U1-70K, a component of the U1 snRNP spliceosomal complex, is also required for their nuclear retention and likely functions in the same pathway as ZFC3H1. Finally, we show that the disassembly of nuclear speckles impairs the nuclear retention of mRNAs with 5’SS motifs. Together, our results suggest a model where mRNAs with 5’SS motifs are recognized by U1 snRNP, which then acts with ZFC3H1 to both promote their decay and prevent nuclear export of these mRNAs by sequestering them in nuclear speckles. Our results highlight a splicing independent role of U1 snRNP and indicate that it works in conjunction with ZFC3H1 in preventing the nuclear export of misprocessed mRNAs.

While splicing has been shown to enhance nuclear export, it has remained unclear whether mRNAs generated from intronless genes use specific machinery to promote their export. Here we investigate the role of the major nuclear pore basket protein, TPR, in regulating mRNA and lncRNA nuclear export in human cells. By sequencing mRNA from the nucleus and cytosol of control and TPR-depleted cells, we provide evidence that TPR is required for the nuclear export of mRNAs and lncRNAs that are generated from intronless and intron-poor genes, and we validate this with reporter constructs. Moreover, in TPR-depleted cells reporter mRNAs generated from intronless genes accumulate in nuclear speckles and are bound to Nxf1. These observations suggest that TPR acts downstream of Nxf1 recruitment, and may allow mRNAs to leave nuclear speckles and properly dock with the nuclear pore. In summary, our study provides one of the first examples of a factor that is required for the nuclear export of intronless and intron-poor mRNAs and lncRNAs.