Abstract Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2), an important histone modifier and epigenetic repressor, has been known to interact with RNA for almost two decades. In our previous publication (Long, Hwang et al. 2020), we presented data supporting the functional importance of RNA interaction in maintaining PRC2 occupancy on chromatin, using comprehensive approaches including an RNA-binding mutant of PRC2 and an rChIP-seq assay. Recently, concerns have been expressed regarding whether the RNA-binding mutant has impaired histone methyltransferase activity and whether the rChIP-seq assay can potentially generate artifacts. Here we provide new data that support a number of our original findings. First, we found the RNA-binding mutant to be fully capable of maintaining H3K27me3 levels in human induced pluripotent stem cells. The mutant had reduced methyltransferase activity in vitro, but only on some substrates at early time points. Second, we found that our rChIP-seq method gave consistent data across antibodies and cell lines. Third, we further optimized rChIP-seq by using lower concentrations of RNase A and incorporating a catalytically inactive mutant RNase A as a control, as well as using an alternative RNase (RNase T1). The EZH2 rChIP-seq results using the optimized protocols supported our original finding that RNA interaction contributes to the chromatin occupancy of PRC2.

Transcriptome compartmentalization by the nuclear membrane provides both stochastic and functional buffering of transcript activity in the cytoplasm and has recently been implicated in neurodegenerative disease processes. Although many mechanisms regulating transcript compartmentalization are also prevalent in brain development, the extent to which subcellular localization differs as the brain matures has yet to be addressed. To characterize the nuclear and cytoplasmic transcriptomes during brain development, we sequenced both RNA fractions from homogenate prenatal and adult human postmortem cortex using PolyA+ and RiboZero library preparation methods. We find that while many genes are differentially expressed by fraction and developmental expression changes are similarly detectable in nuclear and cytoplasmic RNA, the compartmented transcriptomes become more distinct as the brain matures, perhaps reflecting increased utilization of nuclear retention as a regulatory strategy in adult brain. We examined potential mechanisms of this developmental divergence including alternative splicing, RNA editing, nuclear pore composition, RNA binding protein motif enrichment, and RNA secondary structure. Intron retention is associated with greater nuclear abundance in a subset of transcripts, as is enrichment for several splicing factor binding motifs. Finally, we examined disease association with fraction-regulated gene sets and found nuclear-enriched genes were also preferentially enriched in gene sets associated with neurodevelopmental psychiatric diseases. These results suggest that although gene-level expression is globally comparable between fractions, nuclear retention of transcripts may play an underappreciated role in developmental regulation of gene expression in brain, particularly in genes whose dysregulation is related to neuropsychiatric disorders.

The study of survival outliers of glioblastoma (GBM) can have important implications on gliomagenesis as well as in the identification of ways to alter clinical course on this almost uniformly lethal cancer type. However, current studied epigenetic and genetic signatures of the GBM outliers have failed to identify unifying criteria to characterize this unique group of patients. In this study, we profiled the global DNA methylation pattern of mainly IDH1 wild type survival outliers of glioblastoma and performed comprehensive enrichment analyses with genomic and epigenomic signatures. We found that the genome of long-term survivors in glioblastoma is differentially methylated relative to short-term survivor patients depending on CpG density: hypermethylation near CpG islands (CGIs) and hypomethylation far from CGIs. Interestingly, these two patterns are associated with distinct oncogenic aspects in gliomagenesis. The hypomethylation pattern at the region distant from CGI is associated with lower rates of de novo mutations while the hypermethylation at CGIs correlates with transcriptional downregulation of genes involved in cancer progression pathways. These results extend our understanding of DNA methylation of survival outliers in glioblastoma in a genome-wide level, and provide insight on the potential impact of DNA hypomethylation in cancer genome.

ABSTRACT Many of the biological functions performed by RNA are mediated by RNA-binding proteins (RBPs), and understanding the molecular basis of these interactions is fundamental to molecular biology. Here, we present MPRNA-immunoprecipitation (MPRNA-IP), an adaptation of the previously developed massively parallel RNA assay (MPRNA), and a new avenue for in vivo high-throughput dissection of RNA-protein interactions. By using custom pools of tens of thousands of RNA sequences containing systematically designed truncations and mutations, we are able to identify RNA domains, sequences, and secondary structures necessary and sufficient for protein binding in a single experiment. We show that this approach is successful for multiple RNAs of interest including NORAD, MS2, and human telomerase RNA, and we describe statistical models for identifying RNA domains and parsing the structural contributions of RNA in these interactions. By blending modern and classical approaches, MPRNA-IP provides a novel high-throughput way to elucidate RNA-based mechanisms behind RNA-protein interactions.

RNA has been classically known to play central roles in biology, including maintaining telomeres, protein synthesis, and in sex chromosome compensation in certain species. At the center of these important biological systems are noncoding RNAs. While thousands of long noncoding RNAs (lncRNAs) have been identified in mammalian genomes, attributing RNA-based roles to lncRNA loci requires an assessment of whether the observed effect could be due to DNA regulatory elements, the act of transcription, or the lncRNA transcript. Here, we use the syntenically conserved lncRNA locus, Functional intergenic repeating RNA element (Firre), that is located on the X chromosome as a model to discriminate between DNA- and RNA-mediated effects in vivo. To this end, we generated genetically defined loss-of-function, gain-of-function, and rescue mouse models for Firre and provide genetic evidence that the Firre locus produces a trans-acting RNA. We report that: (i) Firre mutant mice have cell-specific defects during hematopoiesis and changes in gene expression that can be rescued by induction of Firre RNA from a transgene in the Firre knockout background, (ii) mice overexpressing Firre from a transgene exhibit increased levels of pro-inflammatory cytokines and impaired survival upon exposure to lipopolysaccharide, and (iii) deletion of the Firre locus did not result in changes in local gene expression on the X chromosome in 9 different biological contexts, suggesting that Firre does not function by cis-acting RNA or DNA elements. Together, our results provide genetic evidence that the Firre locus produces a trans-acting lncRNA that has physiological roles in hematopoiesis and immune function.

Several long noncoding RNAs (lncRNAs) have been shown to function as central components of molecular machines that play fundamental roles in biology. While the number of annotated lncRNAs in mammalian genomes has greatly expanded, their functions remain largely uncharacterized. This is compounded by the fact that identifying lncRNA loci that have robust and reproducible phenotypes when mutated has been a challenge. We previously generated a cohort of 20 lncRNA loci knockout mice. Here, we extend our initial study and provide a more detailed analysis of the highly conserved lncRNA locus, Taurine Upregulated Gene 1 (Tug1). We report that Tug1 knockout male mice are sterile with complete penetrance due to a low sperm count and abnormal sperm morphology. Having identified a lncRNA loci with a robust phenotype, we wanted to determine which, if any, potential elements contained in the Tug1 genomic region (DNA, RNA, protein, or the act of transcription) have activity. Using engineered mouse models and cell-based assays, we provide evidence that the Tug1 locus harbors three distinct regulatory activities - two noncoding and one coding: (i) a cis DNA repressor that regulates many neighboring genes, (ii) a lncRNA that can regulate genes by a trans-based function, and finally (iii) Tug1 encodes an evolutionary conserved peptide that when overexpressed impacts mitochondrial membrane potential. Our results reveal an essential role for the Tug1 locus in male fertility and uncover three distinct regulatory activities in the Tug1 locus, thus highlighting the complexity present at lncRNA loci.

The brain helps us survive by forming internal representations of the external world 1,2 . Excitatory cortical neurons are often precisely tuned to specific external stimuli 3,4 . However, inhibitory neurons, such as parvalbumin-positive (PV) interneurons, are generally less selective 5 . PV interneurons differ from excitatory cells in their neurotransmitter receptor subtypes, including AMPA receptors 6,7 . While excitatory neurons express calcium-impermeable AMPA receptors containing the GluA2 subunit, PV interneurons express receptors that lack the GluA2 subunit and are calcium-permeable (CP-AMPARs). Here we demonstrate a causal relationship between CP-AMPAR expression and the low feature selectivity of PV interneurons. We find a low expression stoichiometry of GluA2 mRNA relative to other subunits in PV interneurons which is conserved across ferrets, rodents, marmosets, and humans, causing abundant CP-AMPAR expression. Replacing CP-AMPARs in PV interneurons with calcium-impermeable AMPARs increased their orientation selectivity in the visual cortex. Sparse CP-AMPAR manipulations demonstrated that this increase was cell-autonomous and could occur well beyond development. Interestingly, excitatory-PV interneuron connectivity rates and unitary synaptic strength were unaltered by CP-AMPAR removal, suggesting that the selectivity of PV interneurons can be altered without drastically changing connectivity. In GluA2 knockout mice, where all AMPARs are calcium-permeable, excitatory neurons showed significantly reduced orientation selectivity, suggesting that CP-AMPARs are sufficient to drive lower selectivity regardless of cell type. Remarkably, hippocampal PV interneurons, which usually exhibit low spatial tuning, became more spatially selective after removing CP-AMPARs, indicating that CP-AMPARs suppress the feature selectivity of PV interneurons independent of modality. These results reveal a novel role of CP-AMPARs in maintaining a low-selectivity sensory representation in PV interneurons and suggest a conserved molecular mechanism that distinguishes the unique synaptic computations of inhibitory and excitatory neurons.