Telomere dysfunction activates p53-mediated cellular growth arrest, senescence and apoptosis to drive progressive atrophy and functional decline in high-turnover tissues. The broader adverse impact of telomere dysfunction across many tissues including more quiescent systems prompted transcriptomic network analyses to identify common mechanisms operative in haematopoietic stem cells, heart and liver. These unbiased studies revealed profound repression of peroxisome proliferator-activated receptor gamma, coactivator 1 alpha and beta (PGC-1α and PGC-1β, also known as Ppargc1a and Ppargc1b, respectively) and the downstream network in mice null for either telomerase reverse transcriptase (Tert) or telomerase RNA component (Terc) genes. Consistent with PGCs as master regulators of mitochondrial physiology and metabolism, telomere dysfunction is associated with impaired mitochondrial biogenesis and function, decreased gluconeogenesis, cardiomyopathy, and increased reactive oxygen species. In the setting of telomere dysfunction, enforced Tert or PGC-1α expression or germline deletion of p53 (also known as Trp53) substantially restores PGC network expression, mitochondrial respiration, cardiac function and gluconeogenesis. We demonstrate that telomere dysfunction activates p53 which in turn binds and represses PGC-1α and PGC-1β promoters, thereby forging a direct link between telomere and mitochondrial biology. We propose that this telomere–p53–PGC axis contributes to organ and metabolic failure and to diminishing organismal fitness in the setting of telomere dysfunction. The recent demonstration of a functional link between mitochondria and telomeres — the protective tips at the ends of chromosomes — raised the possibility that both may be implicated in processes related to ageing. Now an analysis of the transcriptome (the total RNA content) of haematopoietic stem cells from heart and liver tissues of mice points to the existence of a telomere-p53-PGC axis linking telomere dysfunction to compromised organ function and possibly to age-related disorders. In mice with dysfunctional telomeres, p53-mediated cellular growth arrest becomes activated, in turn repressing PGC-1α and PGC-1β, master regulators of metabolic and mitochondrial processes. This results in reduced mitochondrial mass, mitochondrial dysfunction and reduced ATP generation, impaired gluconeogenesis, cardiomyopathy and increased reactive oxygen species. Here it is shown that telomere dysfunction drives metabolic and mitochondrial compromise. Mice with dysfunctional telomeres activate p53, which in turn represses PGC-1α and PGC-1β, master regulators of metabolic and mitochondrial processes. This results in reduced mitochondrial mass, mitochondrial dysfunction and reduced ATP generation, impaired gluconeogenesis, cariomyopathy and increased reactive oxygen species. This telomere–p53–PGC pathway shows how telomere dysfunction may compromise organ function and contribute to age-related disorders.

A previously unidentified modulator of vertebrate haematopoietic stem cell (HSC) number has been discovered using a chemical genetic screen in zebrafish. Prostaglandin E2 (PGE2) increases HSCs in the embryo and enhances marrow recovery following irradiation of adult fish. These effects of PGE2 on stem and progenitor cell number are conserved across vertebrate species. This suggests that modulation of this pathway could be used to treat patients undergoing bone marrow transplant and for some forms of anaemia. This study identifies Prostaglandin E2 (PGE2) as an important modulator of vertebrate haematopoietic stem cell (HSC) number. Chemicals that enhance PGE2 synthesis increase the number of HSCs whereas the opposite effect is achieved by blocking PGE2 synthesis. Haematopoietic stem cell (HSC) homeostasis is tightly controlled by growth factors, signalling molecules and transcription factors. Definitive HSCs derived during embryogenesis in the aorta–gonad–mesonephros region subsequently colonize fetal and adult haematopoietic organs1,2. To identify new modulators of HSC formation and homeostasis, a panel of biologically active compounds was screened for effects on stem cell induction in the zebrafish aorta–gonad–mesonephros region. Here, we show that chemicals that enhance prostaglandin (PG) E2 synthesis increased HSC numbers, and those that block prostaglandin synthesis decreased stem cell numbers. The cyclooxygenases responsible for PGE2 synthesis were required for HSC formation. A stable derivative of PGE2 improved kidney marrow recovery following irradiation injury in the adult zebrafish. In murine embryonic stem cell differentiation assays, PGE2 caused amplification of multipotent progenitors. Furthermore, ex vivo exposure to stabilized PGE2 enhanced spleen colony forming units at day 12 post transplant and increased the frequency of long-term repopulating HSCs present in murine bone marrow after limiting dilution competitive transplantation. The conserved role for PGE2 in the regulation of vertebrate HSC homeostasis indicates that modulation of the prostaglandin pathway may facilitate expansion of HSC number for therapeutic purposes.

RNA editing helps identify cellular RNAs Adenosine bases in messenger RNA (mRNAs) can be enzymatically modified and changed into inosine bases. This RNA “editing” is mediated by adenosine deaminase acting on RNA (ADAR) enzymes. Liddicoat et al. show that the in vivo targets of the principal editing enzyme, ADAR1, are long double-stranded RNA (dsRNA) structures in noncoding portions of cellular mRNAs. ADAR1-directed editing of these cellular targets is critical to avoid activation of an immune response to dsRNA in the cytoplasm, because dsRNA is also a marker of viral infection. Science , this issue p. 1115

Using the GTEx data and others, a comprehensive analysis of adenosine-to-inosine RNA editing in mammals is presented; targets of the various ADAR enzymes are identified, as are several potential regulators of editing, such as AIMP2. The GTEx (Genotype-Tissue Expression) Consortium has established a reference catalogue and associated tissue biobank for gene-expression levels across individuals for diverse tissues of the human body, with a broad sampling of normal, non-diseased human tissues from postmortem donors. The consortium now presents the deepest survey of gene expression across multiple tissues and individuals to date, encompassing 7,051 samples from 449 donors across 44 human tissues. Barbara Engelhardt and colleagues characterize the relationship between genetic variation and gene expression, and find that most genes are regulated by genetic variation near to the affected gene. In accompanying GTEx studies, Alexis Battle, Stephen Montgomery and colleagues examine the effect of rare genetic variation on gene expression across human tissues, Daniel MacArthur and colleagues systematically survey the landscape of X chromosome inactivation in human tissues, and Jin Billy Li and colleagues provide a comprehensive cross-species analysis of adenosine-to-inosine RNA editing in mammals. In an accompanying News & Views, Michelle Ward and Yoav Gilad put the latest results in context and discuss how these findings are helping to crack the regulatory code of the human genome. Adenosine-to-inosine (A-to-I) RNA editing is a conserved post-transcriptional mechanism mediated by ADAR enzymes that diversifies the transcriptome by altering selected nucleotides in RNA molecules1. Although many editing sites have recently been discovered2,3,4,5,6,7, the extent to which most sites are edited and how the editing is regulated in different biological contexts are not fully understood8,9,10. Here we report dynamic spatiotemporal patterns and new regulators of RNA editing, discovered through an extensive profiling of A-to-I RNA editing in 8,551 human samples (representing 53 body sites from 552 individuals) from the Genotype-Tissue Expression (GTEx) project and in hundreds of other primate and mouse samples. We show that editing levels in non-repetitive coding regions vary more between tissues than editing levels in repetitive regions. Globally, ADAR1 is the primary editor of repetitive sites and ADAR2 is the primary editor of non-repetitive coding sites, whereas the catalytically inactive ADAR3 predominantly acts as an inhibitor of editing. Cross-species analysis of RNA editing in several tissues revealed that species, rather than tissue type, is the primary determinant of editing levels, suggesting stronger cis-directed regulation of RNA editing for most sites, although the small set of conserved coding sites is under stronger trans-regulation. In addition, we curated an extensive set of ADAR1 and ADAR2 targets and showed that many editing sites display distinct tissue-specific regulation by the ADAR enzymes in vivo. Further analysis of the GTEx data revealed several potential regulators of editing, such as AIMP2, which reduces editing in muscles by enhancing the degradation of the ADAR proteins. Collectively, our work provides insights into the complex cis- and trans-regulation of A-to-I editing.

Myeloproliferative syndromes (MPS) are a heterogeneous subclass of nonlymphoid hematopoietic neoplasms which are considered to be intrinsic to hematopoietic cells. The causes of MPS are largely unknown. Here, we demonstrate that mice deficient for retinoic acid receptor gamma (RARgamma), develop MPS induced solely by the RARgamma-deficient microenvironment. RARgamma(-/-) mice had significantly increased granulocyte/macrophage progenitors and granulocytes in bone marrow (BM), peripheral blood, and spleen. The MPS phenotype continued for the lifespan of the mice and was more pronounced in older mice. Unexpectedly, transplant studies revealed this disease was not intrinsic to the hematopoietic cells. BM from wild-type mice transplanted into mice with an RARgamma(-/-) microenvironment rapidly developed the MPS, which was partially caused by significantly elevated TNFalpha in RARgamma(-/-) mice. These data show that loss of RARgamma results in a nonhematopoietic cell-intrinsic MPS, revealing the capability of the microenvironment to be the sole cause of hematopoietic disorders.

ADAR1 is an adenosine deaminase that acts on double-stranded RNA. Orkin and colleagues show that ADAR1 protects hematopoietic stem cells from interferon-induced insult and is needed to maintain long-term hematopoiesis. The deaminase ADAR1 edits adenosines in nuclear transcripts of nervous tissue and is required in the fetal liver of the developing mouse embryo. Here we show by inducible gene disruption in mice that ADAR1 is essential for maintenance of both fetal and adult hematopoietic stem cells. Loss of ADAR1 in hematopoietic stem cells led to global upregulation of type I and II interferon–inducible transcripts and rapid apoptosis. Our findings identify ADAR1 as an essential regulator of hematopoietic stem cell maintenance and suppressor of interferon signaling that may protect organisms from the deleterious effects of interferon activation associated with many pathological processes, including chronic inflammation, autoimmune disorders and cancer.

Hematopoiesis is maintained by stem cells (HSCs) that undergo fate decisions by integrating intrinsic and extrinsic signals, with the latter derived from the bone marrow (BM) microenvironment. Cell-cycle regulation can modulate stem cell fate, but it is unknown whether this represents an intrinsic or extrinsic effector of fate decisions. We have investigated the role of the retinoblastoma protein (RB), a central regulator of the cell cycle, in hematopoiesis. Widespread inactivation of RB in the murine hematopoietic system resulted in profound myeloproliferation. HSCs were lost from the BM due to mobilization to extramedullary sites and differentiation. This phenotype was not intrinsic to HSCs, but, rather, was the consequence of an RB-dependent interaction between myeloid-derived cells and the microenvironment. These findings demonstrate that myeloproliferation may result from perturbed interactions between hematopoietic cells and the niche. Therefore, RB extrinsically regulates HSCs by maintaining the capacity of the BM to support normal hematopoiesis and HSCs.

The contribution of changes in cis-regulatory elements or trans-acting factors to interspecies differences in gene expression is not well understood. The mammalian beta-globin loci have served as a model for gene regulation during development. Transgenic mice containing the human beta-globin locus, consisting of the linked embryonic (epsilon), fetal (gamma) and adult (beta) genes, have been used as a system to investigate the temporal switch from fetal to adult haemoglobin, as occurs in humans. Here we show that the human gamma-globin (HBG) genes in these mice behave as murine embryonic globin genes, revealing a limitation of the model and demonstrating that critical differences in the trans-acting milieu have arisen during mammalian evolution. We show that the expression of BCL11A, a repressor of human gamma-globin expression identified by genome-wide association studies, differs between mouse and human. Developmental silencing of the mouse embryonic globin and human gamma-globin genes fails to occur in mice in the absence of BCL11A. Thus, BCL11A is a critical mediator of species-divergent globin switching. By comparing the ontogeny of beta-globin gene regulation in mice and humans, we have shown that alterations in the expression of a trans-acting factor constitute a critical driver of gene expression changes during evolution.

Osteosarcoma is the most common primary malignant tumor of bone. Analysis of familial cancer syndromes and sporadic cases has strongly implicated both p53 and pRb in its pathogenesis; however, the relative contribution of these mutations to the initiation of osteosarcoma is unclear. We describe here the generation and characterization of a genetically engineered mouse model in which all animals develop short latency malignant osteosarcoma. The genetically engineered mouse model is based on osteoblast-restricted deletion of p53 and pRb . Osteosarcoma development is dependent on loss of p53 and potentiated by loss of pRb, revealing a dominance of p53 mutation in the development of osteosarcoma. The model reproduces many of the defining features of human osteosarcoma including cytogenetic complexity and comparable gene expression signatures, histology, and metastatic behavior. Using a novel in silico methodology termed cytogenetic region enrichment analysis, we demonstrate high conservation of gene expression changes between murine osteosarcoma and known cytogentically rearranged loci from human osteosarcoma. Due to the strong similarity between murine osteosarcoma and human osteosarcoma in this model, this should provide a valuable platform for addressing the molecular genetics of osteosarcoma and for developing novel therapeutic strategies.

Individuals who are obese are frequently insulin resistant, putting them at increased risk of developing type 2 diabetes and its associated adverse health conditions. The accumulation in adipose tissue of macrophages in an inflammatory state is a hallmark of obesity-induced insulin resistance. Here, we reveal a role for AMPK β1 in protecting macrophages from inflammation under high lipid exposure. Genetic deletion of the AMPK β1 subunit in mice (referred to herein as β1(-/-) mice) reduced macrophage AMPK activity, acetyl-CoA carboxylase phosphorylation, and mitochondrial content, resulting in reduced rates of fatty acid oxidation. β1(-/-) macrophages displayed increased levels of diacylglycerol and markers of inflammation, effects that were reproduced in WT macrophages by inhibiting fatty acid oxidation and, conversely, prevented by pharmacological activation of AMPK β1-containing complexes. The effect of AMPK β1 loss in macrophages was tested in vivo by transplantation of bone marrow from WT or β1(-/-) mice into WT recipients. When challenged with a high-fat diet, mice that received β1(-/-) bone marrow displayed enhanced adipose tissue macrophage inflammation and liver insulin resistance compared with animals that received WT bone marrow. Thus, activation of AMPK β1 and increasing fatty acid oxidation in macrophages may represent a new therapeutic approach for the treatment of insulin resistance.