CRISPR-Cas9 is a versatile genome editing technology for studying the functions of genetic elements. To broadly enable the application of Cas9 in vivo, we established a Cre-dependent Cas9 knockin mouse. We demonstrated in vivo as well as ex vivo genome editing using adeno-associated virus (AAV)-, lentivirus-, or particle-mediated delivery of guide RNA in neurons, immune cells, and endothelial cells. Using these mice, we simultaneously modeled the dynamics of KRAS, p53, and LKB1, the top three significantly mutated genes in lung adenocarcinoma. Delivery of a single AAV vector in the lung generated loss-of-function mutations in p53 and Lkb1, as well as homology-directed repair-mediated KrasG12D mutations, leading to macroscopic tumors of adenocarcinoma pathology. Together, these results suggest that Cas9 mice empower a wide range of biological and disease modeling applications.

N6-methyladenosine (m6A) is a common modification of mRNA with potential roles in fine-tuning the RNA life cycle. Here, we identify a dense network of proteins interacting with METTL3, a component of the methyltransferase complex, and show that three of them (WTAP, METTL14, and KIAA1429) are required for methylation. Monitoring m6A levels upon WTAP depletion allowed the definition of accurate and near single-nucleotide resolution methylation maps and their classification into WTAP-dependent and -independent sites. WTAP-dependent sites are located at internal positions in transcripts, topologically static across a variety of systems we surveyed, and inversely correlated with mRNA stability, consistent with a role in establishing “basal” degradation rates. WTAP-independent sites form at the first transcribed base as part of the cap structure and are present at thousands of sites, forming a previously unappreciated layer of transcriptome complexity. Our data shed light on the proteomic and transcriptional underpinnings of this RNA modification.

Pseudouridine is the most abundant RNA modification, yet except for a few well-studied cases, little is known about the modified positions and their function(s). Here, we develop Ψ-seq for transcriptome-wide quantitative mapping of pseudouridine. We validate Ψ-seq with spike-ins and de novo identification of previously reported positions and discover hundreds of unique sites in human and yeast mRNAs and snoRNAs. Perturbing pseudouridine synthases (PUS) uncovers which pseudouridine synthase modifies each site and their target sequence features. mRNA pseudouridinylation depends on both site-specific and snoRNA-guided pseudouridine synthases. Upon heat shock in yeast, Pus7p-mediated pseudouridylation is induced at >200 sites, and PUS7 deletion decreases the levels of otherwise pseudouridylated mRNA, suggesting a role in enhancing transcript stability. rRNA pseudouridine stoichiometries are conserved but reduced in cells from dyskeratosis congenita patients, where the PUS DKC1 is mutated. Our work identifies an enhanced, transcriptome-wide scope for pseudouridine and methods to dissect its underlying mechanisms and function.

Eukaryotic genomes are packaged into a 3-dimensional structure in the nucleus. Current methods for studying genome-wide structure are based on proximity ligation. However, this approach can fail to detect known structures, such as interactions with nuclear bodies, because these DNA regions can be too far apart to directly ligate. Accordingly, our overall understanding of genome organization remains incomplete. Here, we develop split-pool recognition of interactions by tag extension (SPRITE), a method that enables genome-wide detection of higher-order interactions within the nucleus. Using SPRITE, we recapitulate known structures identified by proximity ligation and identify additional interactions occurring across larger distances, including two hubs of inter-chromosomal interactions that are arranged around the nucleolus and nuclear speckles. We show that a substantial fraction of the genome exhibits preferential organization relative to these nuclear bodies. Our results generate a global model whereby nuclear bodies act as inter-chromosomal hubs that shape the overall packaging of DNA in the nucleus.

N(6)-methyladenosine (m(6)A) is the most ubiquitous mRNA base modification, but little is known about its precise location, temporal dynamics, and regulation. Here, we generated genomic maps of m(6)A sites in meiotic yeast transcripts at nearly single-nucleotide resolution, identifying 1,308 putatively methylated sites within 1,183 transcripts. We validated eight out of eight methylation sites in different genes with direct genetic analysis, demonstrated that methylated sites are significantly conserved in a related species, and built a model that predicts methylated sites directly from sequence. Sites vary in their methylation profiles along a dense meiotic time course and are regulated both locally, via predictable methylatability of each site, and globally, through the core meiotic circuitry. The methyltransferase complex components localize to the yeast nucleolus, and this localization is essential for mRNA methylation. Our data illuminate a conserved, dynamically regulated methylation program in yeast meiosis and provide an important resource for studying the function of this epitranscriptomic modification.

Metabolic regulation has been recognized as a powerful principle guiding immune responses. Inflammatory macrophages undergo extensive metabolic rewiring 1 marked by the production of substantial amounts of itaconate, which has recently been described as an immunoregulatory metabolite 2 . Itaconate and its membrane-permeable derivative dimethyl itaconate (DI) selectively inhibit a subset of cytokines 2 , including IL-6 and IL-12 but not TNF. The major effects of itaconate on cellular metabolism during macrophage activation have been attributed to the inhibition of succinate dehydrogenase2,3, yet this inhibition alone is not sufficient to account for the pronounced immunoregulatory effects observed in the case of DI. Furthermore, the regulatory pathway responsible for such selective effects of itaconate and DI on the inflammatory program has not been defined. Here we show that itaconate and DI induce electrophilic stress, react with glutathione and subsequently induce both Nrf2 (also known as NFE2L2)-dependent and -independent responses. We find that electrophilic stress can selectively regulate secondary, but not primary, transcriptional responses to toll-like receptor stimulation via inhibition of IκBζ protein induction. The regulation of IκBζ is independent of Nrf2, and we identify ATF3 as its key mediator. The inhibitory effect is conserved across species and cell types, and the in vivo administration of DI can ameliorate IL-17–IκBζ-driven skin pathology in a mouse model of psoriasis, highlighting the therapeutic potential of this regulatory pathway. Our results demonstrate that targeting the DI–IκBζ regulatory axis could be an important new strategy for the treatment of IL-17–IκBζ-mediated autoimmune diseases. The immunoregulatory metabolite itaconate and its dimethyl derivative induce electrophilic stress and react with glutathione to induce both Nrf2-dependent and Nrf2-independent responses, resulting in AF3-mediated inhibition of the inflammation-related protein IκBζ.

How the immune system readies for battle Although gene expression is tightly controlled at both the RNA and protein levels, the quantitative contribution of each step, especially during dynamic responses, remains largely unknown. Indeed, there has been much debate whether changes in RNA level contribute substantially to protein-level regulation. Jovanovic et al. built a genome-scale model of the temporal dynamics of differential protein expression during the stimulation of immunological dendritic cells (see the Perspective by Li and Biggin). Newly stimulated functions involved the up-regulation of specific RNAs and concomitant increases in the levels of the proteins they encode, whereas housekeeping functions were regulated posttranscriptionally at the protein level. Science , this issue 10.1126/science.1259038 ; see also p. 1066

Finding the components of cellular circuits and determining their functions systematically remains a major challenge in mammalian cells. Here, we introduced genome-wide pooled CRISPR-Cas9 libraries into dendritic cells (DCs) to identify genes that control the induction of tumor necrosis factor (Tnf) by bacterial lipopolysaccharide (LPS), a key process in the host response to pathogens, mediated by the Tlr4 pathway. We found many of the known regulators of Tlr4 signaling, as well as dozens of previously unknown candidates that we validated. By measuring protein markers and mRNA profiles in DCs that are deficient in known or candidate genes, we classified the genes into three functional modules with distinct effects on the canonical responses to LPS and highlighted functions for the PAF complex and oligosaccharyltransferase (OST) complex. Our findings uncover new facets of innate immune circuits in primary cells and provide a genetic approach for dissection of mammalian cell circuits.

Blood cell formation is classically thought to occur through a hierarchical differentiation process, although recent studies have shown that lineage commitment may occur earlier in hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs). The relevance to human blood diseases and the underlying regulation of these refined models remain poorly understood. By studying a genetic blood disorder, Diamond-Blackfan anemia (DBA), where the majority of mutations affect ribosomal proteins and the erythroid lineage is selectively perturbed, we are able to gain mechanistic insight into how lineage commitment is programmed normally and disrupted in disease. We show that in DBA, the pool of available ribosomes is limited, while ribosome composition remains constant. Surprisingly, this global reduction in ribosome levels more profoundly alters translation of a select subset of transcripts. We show how the reduced translation of select transcripts in HSPCs can impair erythroid lineage commitment, illuminating a regulatory role for ribosome levels in cellular differentiation.

Neurons localize mRNAs near synapses where their translation can be regulated by synaptic demand and activity. Differences in the 3' UTRs of mRNAs can change their localization, stability, and translational regulation. Using 3' end RNA sequencing of microdissected rat brain slices, we discovered a huge diversity in mRNA 3' UTRs, with many transcripts showing enrichment for a particular 3' UTR isoform in either somata or the neuropil. The 3' UTR isoforms of localized transcripts are significantly longer than the 3' UTRs of non-localized transcripts and often code for proteins associated with axons, dendrites, and synapses. Surprisingly, long 3' UTRs add not only new, but also duplicate regulatory elements. The neuropil-enriched 3' UTR isoforms have significantly longer half-lives than somata-enriched isoforms. Finally, the 3' UTR isoforms can be significantly altered by enhanced activity. Most of the 3' UTR plasticity is transcription dependent, but intriguing examples of changes that are consistent with altered stability, trafficking between compartments, or local "remodeling" remain.