Efficient targeted control of splicing is a major goal of functional genomics and therapeutic applications. Guide (g)RNA-directed, deactivated (d)Cas CRISPR enzymes fused to splicing effectors represent a promising strategy due to the flexibility of these systems. However, efficient, specific, and generalizable activation of endogenous exons using this approach has not been previously reported. By screening over 300 dCasRx-splicing factor fusion proteins tethered to splicing reporters, we identify dCasRx-RBM25 as a potent activator of exons. Moreover, dCasRx-RBM25 efficiently activates the splicing of ∼90% of targeted endogenous alternative exons and displays high on-target specificity. Using gRNA arrays for combinatorial targeting, we demonstrate that dCasRx-RBM25 enables multiplexed activation and repression of exons. Using this feature, the targeting of neural-regulated exons in Ptpb1 and Puf60 in embryonic stem cells reveals combinatorial effects on downstream alternative splicing events controlled by these factors. Collectively, our results enable versatile, combinatorial exon-resolution functional assays and splicing-directed therapeutic applications.

ABSTRACT Alternative splicing is critical for development; however, its role in the specification of the three embryonic germ layers is poorly understood. By performing RNA-Seq on human embryonic stem cells (hESCs) and derived definitive endoderm, cardiac mesoderm, and ectoderm cell lineages, we detect distinct alternative splicing programs associated with each lineage. The most prominent splicing program differences are observed between definitive endoderm and cardiac mesoderm. Integrative multi-omics analyses link each program with lineage-enriched RNA binding protein regulators, and further suggest a widespread role for Quaking (QKI) in the specification of cardiac mesoderm. Remarkably, knockout of QKI disrupts the cardiac mesoderm-associated alternative splicing program and formation of myocytes. These changes arise in part through reduced expression of BIN1 splice variants linked to cardiac development. Mechanistically, we find that QKI represses inclusion of exon 7 in BIN1 pre-mRNA via an exonic ACUAA motif, and this is concomitant with intron removal and cleavage from chromatin. Collectively, our results uncover alternative splicing programs associated with the three germ lineages and demonstrate an important role for QKI in the formation of cardiac mesoderm.

SUMMARY SARS-CoV-2, depends on host cell components for replication, therefore the identification of virus-host dependencies offers an effective way to elucidate mechanisms involved in viral infection. Such host factors may be necessary for infection and replication of SARS-CoV-2 and, if druggable, presents an attractive strategy for anti-viral therapy. We performed genome wide CRISPR knockout screens in Vero E6 cells and 4 human cell lines including Calu-3, Caco-2, Hek293 and Huh7 to identify genetic regulators of SARS-CoV-2 infection. Our findings identified only ACE2 , the cognate SARS-CoV-2 entry receptor, as a common host dependency factor across all cell lines, while all other host genes identified were cell line specific including known factors TMPRSS2 and CTSL . Several of the discovered host-dependency factors converged on pathways involved in cell signalling, lipid metabolism, immune pathways and chromatin modulation. Notably, chromatin modulator genes KMT2C and KDM6A in Calu-3 cells had the strongest impact in preventing SARS-CoV-2 infection when perturbed. Overall, the network of host factors that have been identified will be broadly applicable to understanding the impact of SARS-CoV-2 on human cells and facilitate the development of host-directed therapies. IN BRIEF SARS-CoV-2, depends on host cell components for infection and replication. Genome-wide CRISPR screens were performed in multiple human cell lines to elucidate common host dependencies required for SARS-CoV-2 infection. Only ACE2, the cognate SARS-CoV-2 entry receptor, was common amongst cell lines, while all other host genes identified were cell line specific, several of which converged on pathways involved in cell signalling, lipid metabolism, immune pathways, and chromatin modulation. Overall, a network of host factors was identified that will be broadly applicable to understanding the impact of SARS-CoV-2 on human cells and facilitate productive targeting of host genes and pathways. HIGHLIGHTS - Genome-wide CRISPR screens for SARS-CoV-2 in multiple human cell lines - Identification of wide-ranging cell-type dependent genetic dependencies for SARS-CoV-2 infection - ACE2 is the only common host factor identified across different cell types

Abstract Fat mass and obesity-associated protein (FTO) can remove both the N 6 -methyladenosine (m 6 A) and N 6 , 2′- O -dimethyladenosine (m6Am) methylation marks that function in multiple aspects of posttranscriptional regulation. Here, we demonstrate that ZBTB48, a C2H2-zinc finger protein that functions in telomere maintenance, associates with FTO and binds both mRNA and the telomere-associated regulatory RNA TERRA to regulate the functional interactions of FTO with target transcripts. Specifically, depletion of ZBTB48 affects targeting of FTO to sites of m6A/m6Am modification, changes cellular m6A/m6Am levels and, consequently, alters decay rates of target RNAs. ZBTB48 ablation also accelerates growth of HCT-116 colorectal cancer cells and modulates FTO-dependent regulation of Metastasis-associated protein 1 (MTA1) transcripts by controlling the binding to MTA1 mRNA of the m6A reader IGF2BP2. Our findings thus uncover a previously unknown mechanism of posttranscriptional regulation in which ZBTB48 co-ordinates RNA-binding of the m6A/m6Am demethylase FTO to control expression of its target RNAs.

Abstract Disruption of alternative splicing frequently causes or contributes to human diseases and disorders. Consequently, there is a need for efficient and sensitive reporter assays capable of screening chemical libraries for compounds with efficacy in modulating important splicing events. Here, we describe a screening workflow employing dual Nano and Firefly luciferase alternative splicing reporters that affords efficient, sensitive, and linear detection of small molecule responses. Applying this system to a screen of ~95,000 small molecules identified compounds that stimulate or repress the splicing of neuronal microexons, a class of alternative exons often disrupted in autism and activated in neuroendocrine cancers. One of these compounds rescues the splicing of several analyzed microexons in the cerebral cortex of an autism mouse model haploinsufficient for Srrm4, a major activator of brain microexons. We thus describe a broadly applicable high-throughput screening system for identifying candidate splicing therapeutics, and a resource of small molecule modulators of microexons with potential for further development in correcting aberrant splicing patterns linked to human disorders and disease.

Abstract Numerous global connections have been made between splicing and other layers of gene regulation, including the spatial partitioning of the transcriptome in the cell. Yet, there has been surprisingly little analysis of the spatio-temporal regulation of individual protein-coding and non-coding RNA molecules in single cells. Here we address how intron retention influences the spatio-temporal dynamics of transcripts from two clinically relevant genes: TERT (Telomerase Reverse Transcriptase) pre-mRNA and TUG1 (Taurine-Upregulated Gene 1) lncRNA. Single molecule RNA FISH revealed that nuclear TERT transcripts uniformly and robustly retain two specific introns whose splicing occurs during mitosis. In contrast, TUG1 has a bimodal distribution of fully spliced cytoplasmic and intron-retained nuclear transcripts. We further test the functionality of intron-retention events using RNA-targeting thiomorpholino antisense oligonucleotides to block intron excision. We show that intron retention is the driving force for the nuclear compartmentalization of these RNAs. For both RNAs, altering this splicing-driven subcellular distribution had significant effects on cell growth. Together, these findings show that stable retention of specific introns can orchestrate spatial compartmentalization of RNAs within the cell; this process reveals new targets for RNA-based therapies.

Prolonged exposure to glucocorticoid stress hormones precipitates mood and cognitive disorders. We identified arginine and glutamate rich 1 (ARGLU1) in a screen for new modulators of glucocorticoid signaling in the CNS. Biochemical studies found that the glutamate rich C-terminus coactivates the glucocorticoid receptor (GR) and the arginine rich N-terminus interacts with splicing factors and RNA. RNA-seq of neuronal cells +/- siARGLU1 found significant changes in the expression and alternative splicing of distinct genes involved in neurogenesis. Loss of ARGLU1 was embryonic lethal in mice, and knockdown in zebrafish caused neurodevelopmental and heart defects. Treatment with dexamethasone, a GR activator, also induced changes in the pattern of alternatively spliced genes, highlighting an underappreciated global mechanism of glucocorticoid action in neuronal cells. Thus, in addition to its basal role, ARGLU1 links glucocorticoid-mediated transcription and alternative splicing in neural cells, providing new avenues from which to investigate the molecular underpinnings of cognitive stress disorders.

The carboxy-terminal domain (CTD) of the RNA polymerase II (RNAPII) subunit POLR2A is a platform for modifications specifying the recruitment of factors that regulate transcription, mRNA processing, and chromatin remodelling. We previously found that symmetrical dimethylation (me2s) of a CTD Arginine residue (R1810 in human) causes recruitment of the Tudor domain of SMN, which interacts with Senataxin. SMN is mutated in spinal muscular atrophy (SMA), and Senataxin is sometimes mutated in Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS). R1810me2s and SMN, like Senataxin, are important for resolving R-loops (DNA:RNA hybrids) at transcription terminators. FUS and TDP-43 (TARDBP) are DNA/RNA binding proteins that are sometimes mutated in ALS and FTD (Frontotemporal dementia). Here we show that TDP-43 and, to some extent, FUS are recruited by the R1810me2s-SMN pathway. Defects in FUS and TDP-43 recruitment influence RNAPII termination and R-loop accumulation, leading to elevated DNA damage at terminators that may contribute to neurodegenerative disorders like ALS and FTD.

Eukaryotic cells are defined by compartments through which the trafficking of macromolecules is mediated by large complexes, such as the nuclear pore, transport vesicles and intraflagellar transport. The assembly and maintenance of these complexes is facilitated by endomembrane coatomers, long suspected to be divergently related on the basis of structural and more recently phylogenomic analysis. By performing supervised walks in sequence space across coatomer superfamilies, we uncover subtle sequence patterns that have remained elusive to date, ultimately unifying eukaryotic coatomers by divergent evolution. The conserved residues shared by 3,502 endomembrane coatomer components are mapped onto the solenoid superhelix of nucleoporin and COPII protein structures, thus determining the invariant elements of coatomer architecture. This ancient structural motif can be considered as a universal signature connecting eukaryotic coatomers involved in multiple cellular processes across cell physiology and human disease.

Alternative splicing (AS) is a highly regulated process that increases protein diversity and is critical for cell differentiation and development. The rate of RNA Polymerase II (RNAPII) elongation has an important role in the control of AS. We generated mouse embryonic stem cells (ESCs) knocked-in for a slow elongating form of RNAPII and show that a reduced transcriptional elongation rate causes early embryonic lethality in mice and impairs the differentiation of ESCs into the neural lineage. The reduced elongation rate caused changes in splicing and in gene expression in ESCs and along the pathway of neuronal differentiation. In particular, we found a crucial role for RNAPII elongation rate in transcription and splicing of long neuronal genes involved in synapse signaling. The impact of the kinetic coupling of RNAPII elongation rate with AS is more predominant in ESC-differentiated neurons than in pluripotent cells. Our results demonstrate the requirement for an appropriate transcriptional elongation rate to ensure proper gene expression and to regulate AS during development.