Extensive pre-mRNA back-splicing generates numerous circular RNAs (circRNAs) in human transcriptome. However, the biological functions of these circRNAs remain largely unclear. Here we report that N6-methyladenosine (m6A), the most abundant base modification of RNA, promotes efficient initiation of protein translation from circRNAs in human cells. We discover that consensus m6A motifs are enriched in circRNAs and a single m6A site is sufficient to drive translation initiation. This m6A-driven translation requires initiation factor eIF4G2 and m6A reader YTHDF3, and is enhanced by methyltransferase METTL3/14, inhibited by demethylase FTO, and upregulated upon heat shock. Further analyses through polysome profiling, computational prediction and mass spectrometry reveal that m6A-driven translation of circRNAs is widespread, with hundreds of endogenous circRNAs having translation potential. Our study expands the coding landscape of human transcriptome, and suggests a role of circRNA-derived proteins in cellular responses to environmental stress.

Abstract BACKGROUND Extracellular RNAs (exRNAs) in human body fluids are emerging as effective biomarkers for detection of diseases. Saliva, as the most accessible and noninvasive body fluid, has been shown to harbor exRNA biomarkers for several human diseases. However, the entire spectrum of exRNA from saliva has not been fully characterized. METHODS Using high-throughput RNA sequencing (RNA-Seq), we conducted an in-depth bioinformatic analysis of noncoding RNAs (ncRNAs) in human cell-free saliva (CFS) from healthy individuals, with a focus on microRNAs (miRNAs), piwi-interacting RNAs (piRNAs), and circular RNAs (circRNAs). RESULTS Our data demonstrated robust reproducibility of miRNA and piRNA profiles across individuals. Furthermore, individual variability of these salivary RNA species was highly similar to those in other body fluids or cellular samples, despite the direct exposure of saliva to environmental impacts. By comparative analysis of >90 RNA-Seq data sets of different origins, we observed that piRNAs were surprisingly abundant in CFS compared with other body fluid or intracellular samples, with expression levels in CFS comparable to those found in embryonic stem cells and skin cells. Conversely, miRNA expression profiles in CFS were highly similar to those in serum and cerebrospinal fluid. Using a customized bioinformatics method, we identified >400 circRNAs in CFS. These data represent the first global characterization and experimental validation of circRNAs in any type of extracellular body fluid. CONCLUSIONS Our study provides a comprehensive landscape of ncRNA species in human saliva that will facilitate further biomarker discoveries and lay a foundation for future studies related to ncRNAs in human saliva.

From a large-scale screen using splicing microarrays and RT-PCR, we identified 63 alternative splicing (AS) events that are coordinated in 3 distinct temporal patterns during mouse heart development. More than half of these splicing transitions are evolutionarily conserved between mouse and chicken. Computational analysis of the introns flanking these splicing events identified enriched and conserved motifs including binding sites for CUGBP and ETR-3-like factors (CELF), muscleblind-like (MBNL) and Fox proteins. We show that CELF proteins are down-regulated >10-fold during heart development, and MBNL1 protein is concomitantly up-regulated nearly 4-fold. Using transgenic and knockout mice, we show that reproducing the embryonic expression patterns for CUGBP1 and MBNL1 in adult heart induces the embryonic splicing patterns for more than half of the developmentally regulated AS transitions. These findings indicate that CELF and MBNL proteins are determinative for a large subset of splicing transitions that occur during postnatal heart development.

Although metabolic reprogramming is critical in the pathogenesis of heart failure, studies to date have focused principally on fatty acid and glucose metabolism. Contribution of amino acid metabolic regulation in the disease remains understudied.Transcriptomic and metabolomic analyses were performed in mouse failing heart induced by pressure overload. Suppression of branched-chain amino acid (BCAA) catabolic gene expression along with concomitant tissue accumulation of branched-chain α-keto acids was identified as a significant signature of metabolic reprogramming in mouse failing hearts and validated to be shared in human cardiomyopathy hearts. Molecular and genetic evidence identified the transcription factor Krüppel-like factor 15 as a key upstream regulator of the BCAA catabolic regulation in the heart. Studies using a genetic mouse model revealed that BCAA catabolic defect promoted heart failure associated with induced oxidative stress and metabolic disturbance in response to mechanical overload. Mechanistically, elevated branched-chain α-keto acids directly suppressed respiration and induced superoxide production in isolated mitochondria. Finally, pharmacological enhancement of branched-chain α-keto acid dehydrogenase activity significantly blunted cardiac dysfunction after pressure overload.BCAA catabolic defect is a metabolic hallmark of failing heart resulting from Krüppel-like factor 15-mediated transcriptional reprogramming. BCAA catabolic defect imposes a previously unappreciated significant contribution to heart failure.

The lncRNA Chaer controls hypertrophic heart growth by binding to and interfering with the function of the epigenetic regulator PRC2. Epigenetic reprogramming is a critical process of pathological gene induction during cardiac hypertrophy and remodeling, but the underlying regulatory mechanisms remain to be elucidated. Here we identified a heart-enriched long noncoding (lnc)RNA, named cardiac-hypertrophy-associated epigenetic regulator (Chaer), which is necessary for the development of cardiac hypertrophy. Mechanistically, Chaer directly interacts with the catalytic subunit of polycomb repressor complex 2 (PRC2). This interaction, which is mediated by a 66-mer motif in Chaer, interferes with PRC2 targeting to genomic loci, thereby inhibiting histone H3 lysine 27 methylation at the promoter regions of genes involved in cardiac hypertrophy. The interaction between Chaer and PRC2 is transiently induced after hormone or stress stimulation in a process involving mammalian target of rapamycin complex 1, and this interaction is a prerequisite for epigenetic reprogramming and induction of genes involved in hypertrophy. Inhibition of Chaer expression in the heart before, but not after, the onset of pressure overload substantially attenuates cardiac hypertrophy and dysfunction. Our study reveals that stress-induced pathological gene activation in the heart requires a previously uncharacterized lncRNA-dependent epigenetic checkpoint.

RNA editing enhances the diversity of gene products at the post-transcriptional level. Approaches for genome-wide identification of RNA editing face two main challenges: separating true editing sites from false discoveries and accurate estimation of editing levels. We developed an approach to analyze transcriptome sequencing data (RNA-seq) for global identification of RNA editing in cells for which whole-genome sequencing data are available. We applied the method to analyze RNA-seq data of a human glioblastoma cell line, U87MG. Around 10,000 DNA-RNA differences were identified, the majority being putative A-to-I editing sites. These predicted A-to-I events were associated with a low false-discovery rate (∼5%). Moreover, the estimated editing levels from RNA-seq correlated well with those based on traditional clonal sequencing. Our results further facilitated unbiased characterization of the sequence and evolutionary features flanking predicted A-to-I editing sites and discovery of a conserved RNA structural motif that may be functionally relevant to editing. Genes with predicted A-to-I editing were significantly enriched with those known to be involved in cancer, supporting the potential importance of cancer-specific RNA editing. A similar profile of DNA-RNA differences as in U87MG was predicted for another RNA-seq data set obtained from primary breast cancer samples. Remarkably, significant overlap exists between the putative editing sites of the two transcriptomes despite their difference in cell type, cancer type, and genomic backgrounds. Our approach enabled de novo identification of the RNA editome, which sets the stage for further mechanistic studies of this important step of post-transcriptional regulation.

Human stem-cell-derived models provide the promise of accelerating our understanding of brain disorders, but not knowing whether they possess the ability to mature beyond mid- to late-fetal stages potentially limits their utility. We leveraged a directed differentiation protocol to comprehensively assess maturation in vitro. Based on genome-wide analysis of the epigenetic clock and transcriptomics, as well as RNA editing, we observe that three-dimensional human cortical organoids reach postnatal stages between 250 and 300 days, a timeline paralleling in vivo development. We demonstrate the presence of several known developmental milestones, including switches in the histone deacetylase complex and NMDA receptor subunits, which we confirm at the protein and physiological levels. These results suggest that important components of an intrinsic in vivo developmental program persist in vitro. We further map neurodevelopmental and neurodegenerative disease risk genes onto in vitro gene expression trajectories to provide a resource and webtool (Gene Expression in Cortical Organoids, GECO) to guide disease modeling.

Abstract The squamates (lizards and snakes) are close relatives of birds and mammals, with more than 10,000 described species that display extensive variation in a number of important biological traits, including coloration, venom production, and regeneration. Due to a lack of genomic tools, few genetic studies in squamates have been carried out. The leopard gecko 1 , Eublepharis macularius, is a popular companion animal, and displays a variety of coloration patterns. We took advantage of a large breeding colony and used linkage analysis, synteny, and homozygosity mapping to investigate a spontaneous semi-dominant mutation, “Lemon Frost”, that produces white coloration and causes skin tumors (iridophoroma). We localized the mutation to a single locus which contains a strong candidate gene, SPINT1 2,3 , a tumor suppressor implicated in human skin cutaneous melanoma (SKCM) and over-proliferation of epithelial cells in mice and zebrafish 4–16 . Our work establishes the leopard gecko as a tractable genetic system and suggests that a tumor suppressor in melanocytes in humans can also suppress tumor development in iridophores in lizards.

Abstract Using third-generation sequencers, long-read RNA-seq is increasingly applied in transcriptomic studies given its major advantage in characterizing full-length transcripts. A number of methods have been developed to analyze this new type of data for transcript isoforms and their abundance. Another application, which is significantly under-explored, is to identify and analyze single nucleotide variants (SNVs) in the RNA. Identification of SNVs, such as genetic mutations or RNA editing sites, is fundamental to many biomedical questions. In long-read RNA-seq, SNV analysis presents significant challenges, due to the well-known relatively high error rates of the third-generation sequencers. Here, we present the first study to detect and analyze RNA editing sites in long-read RNA-seq. Our new method, L-GIREMI, effectively handles sequencing errors and biases in the reads, and uses a model-based approach to score RNA editing sites. Applied to PacBio long-read RNA-seq data, L-GIREMI affords a high accuracy in RNA editing identification. In addition, the unique advantage of long reads allowed us to uncover novel insights about RNA editing occurrences in single molecules and double-stranded RNA (dsRNA) structures. L-GIREMI provides a valuable means to study RNA nucleotide variants in long-read RNA-seq.

RNA splicing is pivotal in post-transcriptional gene regulation, yet the exponential expansion of intron length in humans poses a challenge for accurate splicing. Here, we identify hnRNPM as an essential RNA-binding protein that suppresses cryptic splicing through binding to deep introns, maintaining human transcriptome integrity. Long interspersed nuclear elements (LINEs) in introns harbor numerous pseudo splice sites. hnRNPM preferentially binds at intronic LINEs to repress pseudo splice site usage for cryptic splicing. Remarkably, cryptic exons can generate long dsRNAs through base-pairing of inverted ALU transposable elements interspersed among LINEs and consequently trigger an interferon response, a well-known antiviral defense mechanism. Significantly, hnRNPM-deficient tumors show upregulated interferon-associated pathways and elevated immune cell infiltration. These findings unveil hnRNPM as a guardian of transcriptome integrity by repressing cryptic splicing and suggest that targeting hnRNPM in tumors may be used to trigger an inflammatory immune response, thereby boosting cancer surveillance.