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.

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.

mRNA degradation is a critical, yet poorly understood, aspect of gene expression. Previous studies demonstrate that codon content acts as a major determinant of mRNA stability in model organisms. In humans, the importance of open reading frame (ORF)-mediated regulation remains unclear. Here, we globally analyzed mRNA stability for both endogenous and human ORFeome collection mRNAs in human cells. Consistent with previous studies, we observed that synonymous codon usage impacts human mRNA decay. Unexpectedly, amino acid identity also acts as a driver of translation-dependent decay, meaning that primary protein sequence dictates overall mRNA levels and, consequently, protein abundance. Both codon usage and amino acid identity affect translational elongation rate to varying degrees in distinct organisms, with the net result being sensed by mRNA degradation machinery. In humans, interplay between ORF- and UTR-mediated control of mRNA stability may be critical to offset this fundamental relationship between protein sequence and mRNA abundance.