Gene expression in human tissue has primarily been studied on the transcriptional level, largely neglecting translational regulation. Here, we analyze the translatomes of 80 human hearts to identify new translation events and quantify the effect of translational regulation. We show extensive translational control of cardiac gene expression, which is orchestrated in a process-specific manner. Translation downstream of predicted disease-causing protein-truncating variants appears to be frequent, suggesting inefficient translation termination. We identify hundreds of previously undetected microproteins, expressed from lncRNAs and circRNAs, for which we validate the protein products in vivo. The translation of microproteins is not restricted to the heart and prominent in the translatomes of human kidney and liver. We associate these microproteins with diverse cellular processes and compartments and find that many locate to the mitochondria. Importantly, dozens of microproteins are translated from lncRNAs with well-characterized noncoding functions, indicating previously unrecognized biology.

ABSTRACT Ribosome profiling (Ribo-seq) has catalyzed a paradigm shift in our understanding of the translational ‘vocabulary’ of the human genome, discovering thousands of translated open reading frames (ORFs) within long non-coding RNAs and presumed untranslated regions of protein-coding genes. However, reference gene annotation projects have been circumspect in their incorporation of these ORFs due to uncertainties about their experimental reproducibility and physiological roles. Yet, it is indisputable that certain Ribo-seq ORFs make stable proteins, others mediate gene regulation, and many have medical implications. Ultimately, the absence of standardized ORF annotation has created a circular problem: while Ribo-seq ORFs remain unannotated by reference biological databases, this lack of characterisation will thwart research efforts examining their roles. Here, we outline the initial stages of a community-led effort supported by GENCODE / Ensembl, HGNC and UniProt to produce a consolidated catalog of human Ribo-seq ORFs.

ABSTRACT Little is known about the impact of naturally occurring genetic variation on the rates with which proteins are synthesized by ribosomes. Here, we investigate how genetic influences on mRNA translational efficiency are associated with complex disease phenotypes using a panel of rat recombinant inbred lines. We identify a locus for cardiac hypertrophy that is associated with a translatome-wide and protein length-dependent shift in translational efficiency. This master regulator primarily affects the translation of very short and very long protein-coding sequences, altering the physiological stoichiometric translation rates of sarcomere proteins. Mechanistic dissection of this locus points to altered ribosome assembly, characterized by accumulation of polysome half-mers, changed ribosomal configurations and misregulation of the small nucleolar RNA SNORA48 . We postulate that this locus enhances a pre-existing negative correlation between protein length and translation initiation in diseased hearts. Our work shows that a single genomic locus can trigger a complex, translation-driven molecular mechanism that contributes to phenotypic variability between individuals. Graphical Abstract Highlights Genetic variability impacts protein synthesis rates in a rat model for cardiac hypertrophy A trans locus affects stoichiometric translation rates of cardiac sarcomeric proteins This master regulator locus induces a global, protein length-dependent shift in translation Dysregulated ribosome assembly induces half-mer formation and affects translation initiation rate

Abstract Long noncoding RNAs (lncRNAs) are a heterogenous group of RNAs, which can encode small proteins. The extent to which developmentally regulated lncRNAs are translated and whether the produced microproteins are relevant for human development is unknown. Here, we show that many lncRNAs in direct vicinity of lineage-determining transcription factors (TFs) are dynamically regulated, predominantly cytosolic, and highly translated during pancreas development. We genetically ablated ten such lncRNAs, most of them translated, and found that nine are dispensable for endocrine cell differentiation. However, deletion of LINC00261 diminishes generation of insulin + endocrine cells, in a manner independent of the nearby TF FOXA2 . Systematic deletion of each of LINC00261 ’s seven poorly conserved microproteins shows that the RNA, rather than the microproteins, is required for endocrine development. Our work highlights extensive translation of lncRNAs into recently evolved microproteins during human pancreas development and provides a blueprint for dissection of their coding and noncoding roles. Graphical Abstract Highlights Extensive lncRNA translation and microprotein production during human pancreas development A small-scale loss-of-function screen shows most translated lncRNAs are dispensable LINC00261 is highly translated and regulates endocrine cell differentiation Deleting LINC00261 ’s evolutionary young microproteins reveals no essential roles

Abstract The evolutionary conserved Taurine Upregulated Gene 1 ( TUG1 ) is a ubiquitously expressed gene that is one of the highest expressed genes in human and rodent endothelial cells (ECs). We here show that TUG1 expression decreases significantly in aging mouse carotid artery ECs and human ECs in vitro , indicating a potential role in the aging endothelial vasculature system. We therefore investigated if, and how, TUG1 might function in aging ECs, but despite extensive phenotyping found no alterations in basal EC proliferation, apoptosis, barrier function, migration, mitochondrial function, or monocyte adhesion upon TUG1 silencing in vitro. TUG1 knockdown did slightly and significantly decrease cumulative sprout length upon vascular endothelial growth factor A stimulation in human umbilical vein endothelial cells (HUVECs), though TUG1-silenced HUVECs displayed no transcriptome-wide mRNA expression changes explaining this effect. Further, ectopic expression of the highly conserved and recently discovered 153 amino acid protein translated from certain TUG1 transcript isoforms did not alter angiogenic sprouting in vitro . Our data show that, despite a high expression and strong evolutionary conservation of both the TUG1 locus and the protein sequence it encodes, TUG1 does not seem to play a major role in basic endothelial cell 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.