ABSTRACT Alternative polyadenylation of pre-mRNA has been recently shown to play important roles in development and cancer. Activating mutations in the Ras oncogene are common drivers of many human cancers but the mechanisms by which they cooperate with alternative polyadenylation are not known. By exploiting the genetics of C. elegans , we identified cfim-1/CFIm25 , a subunit of the alternative polyadenylation machine, as a key determinant of hyperactive Ras function. Ablation of cfim-1 increased penetrance of multivulva phenotype in let-60/Ras gain-of-function (gf) mutant through shortening of transcripts at the 3’ untranslated region, including p21 activated kinase pak-1/PAK1 and multidrug transporter mrp-5/ABCC1 . Depletion of CFIm25 in human KRAS-driven cancer cells resulted in a similar shortening of 3’ untranslated regions in the PAK1 and ABCC1 transcripts, which caused an epithelial-to-mesenchymal transition and increased cell migration. Exploiting the mechanisms by which alternative polyadenylation affects activated oncogene output could offer novel approaches for the treatment of Ras-driven tumors.

Abstract Models of MECP2 dysfunction in Rett syndrome (RTT) assume that transcription rate changes directly correlate with altered steady-state mRNA levels. However, limited evidence suggests that transcription rate changes are buffered by poorly understood compensatory post-transcriptional mechanisms. Here we measure transcription rate and mRNA half-life changes in RTT patient neurons using RATE-seq, and reinterpret nuclear and whole-cell RNAseq from Mecp2 mice. Genes are dysregulated by changing transcription rate only or half-life only and are buffered when both are changed. We utilized classifier models to understand the direction of transcription rate changes based on gene-body DNA sequence, and combined frequencies of three dinucleotides were better predictors than contributions by CA and CG. MicroRNA and RNA-Binding Protein (RBP) motifs were enriched in 3’UTRs of genes with half-life changes. Motifs for nuclear localized RBPs were enriched on buffered genes with increased transcription rate. Our findings identify post-transcriptional mechanisms in humans and mice that alter half-life only or buffer transcription rate changes when a transcriptional modulator gene is mutated in a neurodevelopmental disorder.

Abstract Astrocytes are in constant communication with neurons during the establishment and maturation of functional networks in the developing brain. Astrocytes release extracellular vesicles (EVs) containing microRNA (miRNA) cargo that regulates transcript stability in recipient cells. Astrocyte released factors are thought to be involved in neurodevelopmental disorders. Healthy astrocytes partially rescue Rett Syndrome (RTT) neuron function. EVs isolated from stem cell progeny also correct aspects of RTT. EVs cross the blood-brain barrier (BBB) and their cargo is found in peripheral blood which may allow non-invasive detection of EV cargo as biomarkers produced by healthy astrocytes. Here we characterize miRNA cargo and sequence motifs in healthy human astrocyte derived EVs (ADEVs). First, human induced Pluripotent Stem Cells (iPSC) were differentiated into Neural Progenitor Cells (NPCs) and subsequently into astrocytes using a rapid differentiation protocol. iPSC derived astrocytes expressed specific markers, displayed intracellular calcium transients and secreted EVs. miRNAs were identified by RNA-Seq on astrocytes and ADEVs and target gene pathway analysis detected brain related terms. The miRNA profile was consistent with astrocyte identity, and included approximately 80 miRNAs found in astrocytes that were relatively depleted in ADEVs suggestive of passive loading. About 120 miRNAs were relatively enriched in ADEVs and motif analysis discovered binding sites for RNA binding proteins FUS, SRSF7 and CELF5. miRNA 483-5p was the most significantly enriched in ADEVs. This miRNA regulates MECP2 expression in neurons and has been found differentially expressed in blood samples from RTT patients. Our results identify potential miRNA biomarkers selectively sorted into ADEVs and implicate RNA binding protein sequence dependent mechanisms for miRNA cargo loading.

The contribution of mRNA half-life is commonly overlooked when examining changes in mRNA abundance during development. mRNA levels of some genes are regulated by transcription rate only, but others may be regulated by mRNA half-life only shifts. Furthermore, transcriptional buffering is predicted when changes in transcription rates have compensating shifts in mRNA half-life resulting in no change to steady-state levels. Likewise, transcriptional boosting should result when changes in transcription rate are accompanied by amplifying half-life shifts. During neurodevelopment there is widespread 3'UTR lengthening that could be shaped by differential shifts in the stability of existing short or long 3'UTR transcript isoforms. We measured transcription rate and mRNA half-life changes during induced human Pluripotent Stem Cell (iPSC)-derived neuronal development using RATE-seq. During transitions to progenitor and neuron stages, transcriptional buffering occurred in up to 50%, and transcriptional boosting in up to 15%, of genes with changed transcription rates. The remaining changes occurred by transcription rate only or mRNA half-life only shifts. Average mRNA half-life decreased two-fold in neurons relative to iPSCs. Short gene isoforms were more destabilized in neurons and thereby increased the average 3'UTR length. Small RNA sequencing captured an increase in microRNA copy number per cell during neurodevelopment. We propose that mRNA destabilization and 3'UTR lengthening are driven in part by an increase in microRNA load in neurons. Our findings identify mRNA stability mechanisms in human neurodevelopment that regulate gene and isoform level abundance and provide a precedent for similar post-transcriptional regulatory events as other tissues develop.

Abstract Background Neuronal development is a tightly controlled process involving multi-layered regulatory mechanisms. While transcriptional pathways regulating neurodevelopment are well characterized, post-transcriptional programs are still poorly understood. TIA1 is an RNA-binding protein that can regulate splicing, stability, or translation of target mRNAs, and has been shown to play critical roles in neurodevelopment. However, the identity of mRNAs regulated by TIA1 during neurodevelopment is still unknown. Methods and Results To identify the mRNAs targeted by TIA1 during the first stages of human neurodevelopment, we performed RNA immunoprecipitation-sequencing (RIP-seq) on human embryonic stem cells (hESCs) and derived neural progenitor cells (NPCs), and cortical neurons. While there was no change in TIA1 protein levels, the number of TIA1 targeted mRNAs decreased from pluripotent cells to neurons. We identified 2400, 845, and 330 TIA1 mRNA targets in hESCs, NPC, and neurons, respectively. The vast majority of mRNA targets in hESC were genes associated with neurodevelopment and included autism spectrum disorder-risk genes that were not bound in neurons. Additionally, we found that most TIA1 mRNA targets have reduced ribosomal engagement levels. Conclusion Our results reveal TIA1 mRNA targets in hESCs and during human neurodevelopment, indicate that translation repression is a key process targeted by TIA1 binding and implicate TIA1 function in neuronal differentiation.

ABSTRACT Rett syndrome (RTT) is a severe neurodevelopmental disorder primarily caused by heterozygous loss-of-function mutations in the X-linked gene MECP2 that is a global transcriptional regulator. Mutations in the methyl-CpG binding domain (MBD) of MECP2 disrupt its interaction with methylated DNA. Here, we investigate the effect of MECP2 L124W missense mutation in the MBD of an atypical RTT patient in comparison to severe MECP2 null mutations. L124W protein had a limited ability to disrupt heterochromatic chromocenters due to decreased binding dynamics. We isolated two pairs of isogenic WT and L124W induced pluripotent stem cells. L124W induced excitatory neurons expressed stable protein, exhibited increased input resistance and decreased voltage-gated Na + and K + currents, and their neuronal dysmorphology was limited to decreased dendritic complexity. Three isogenic pairs of MECP2 null neurons had the expected more extreme morphological and electrophysiological phenotypes. We examined development and maturation of L124W and MECP2 null excitatory neural network activity using micro-electrode arrays. Relative to isogenic controls, L124W neurons had an increase in synchronous network burst frequency, in contrast to MECP2 null neurons that suffered a significant decrease in synchronous network burst frequency and a transient extension of network burst duration. We capture these findings in a computational neural network model that shows the observed changes in network dynamics are best explained by changes in intrinsic adaptation currents in individual neurons. Our multilevel results demonstrate that RTT excitatory neurons show a wide spectrum of morphological, electrophysiological and circuitry phenotypes that are dependent on the severity of the MECP2 mutation.