Abstract Splicing is the stepwise molecular process by which introns are removed from pre-mRNA and exons are joined together to form mature mRNA sequences. The ordering and spatial distribution of these steps remain controversial, with opposing models suggesting splicing occurs either during or after transcription. We used single-molecule RNA FISH, expansion microscopy, and live-cell imaging to reveal the spatiotemporal distribution of nascent transcripts in mammalian cells. At super-resolution levels, we found that pre-mRNA formed clouds around the transcription site. These clouds indicate the existence of a transcription site proximal zone through which RNA move more slowly than in the nucleoplasm. Full-length pre-mRNA undergo continuous splicing as they move through this zone following transcription, suggesting a model in which splicing can occur post-transcriptionally but still within the proximity of the transcription site, thus seeming co-transcriptional by most assays. These results may unify conflicting reports of co-transcriptional versus post-transcriptional splicing.

Abstract Transcription at most promoters is divergent, initiating at closely spaced oppositely oriented core promoters to produce sense transcripts along with often unstable upstream antisense (uasTrx). How antisense transcription is regulated and to what extent it is coordinated with sense transcription is largely unknown. Here by combining acute degradation of the multi-functional transcription factor CTCF and nascent transcription measurements, we find that CTCF specifically suppresses antisense but not sense transcription at hundreds of divergent promoters, the great majority of which bear proximal CTCF binding sites. Genome editing, chromatin conformation studies, and high-resolution transcript mapping revealed that precisely positioned CTCF directly suppresses the initiation of uasTrx, in a manner independent of its chromatin architectural function. Primary transcript RNA FISH revealed co-bursting of sense and anti-sense transcripts is disfavored, suggesting CTCF-regulated competition for transcription initiation. In sum, CTCF shapes the transcriptional landscape in part by suppressing upstream antisense transcription.

Abstract Signals often ultimately affect the transcription of genes, and often, two different signals can affect the transcription of the same gene. In such cases, it is natural to ask how the combined transcriptional response compares to the individual responses. Mechanistic models can predict a range of combined responses, with the most commonly applied models predicting additive or multiplicative responses, but systematic genome-wide evaluation of these predictions are not available. Here, we performed a comprehensive analysis of the transcriptional response of human MCF-7 cells to two different signals (retinoic acid and TGF-β), applied individually and in combination. We found that the combined responses exhibited a range of behaviors, but clearly favored both additive and multiplicative combined transcriptional responses. We also performed paired chromatin accessibility measurements to measure putative transcription factor occupancy at regulatory elements near these genes. We found that increases in chromatin accessibility were largely additive, meaning that the combined accessibility response was the sum of the accessibility responses to each signal individually. We found some association between super-additivity of accessibility and multiplicative or super-multiplicative combined transcriptional responses, while sub-additivity of accessibility associated with additive transcriptional responses. Our findings suggest that mechanistic models of combined transcriptional regulation must be able to reproduce a range of behaviors.

Abstract Cardiac directed differentiation of human induced pluripotent stem cells consistently produces a mixed population of cardiomyocytes and non-cardiac cell types even when using very well-characterized protocols. We wondered whether differentiated cell types might result from intrinsic differences in hiPS cells prior to the onset of differentiation. By associating individual differentiated cells that share a common hiPS cell precursor, we were able to test whether expression variability in differentiated cells was pre-determined from the hiPS cell state. Although within a single experiment, differentiated cells that share an hiPS cell progenitor were more transcriptionally similar to each other than to other cells in the differentiated population, when the same hiPS cells were differentiated in parallel, we did not observe high transcriptional similarity across differentiations. Additionally, we found that substantial cell death occurred during differentiation in a manner that suggested that all cells were equally likely to survive or die, suggesting that there was no intrinsic selection bias for cells descended from particular hiPS cell progenitors. These results led us to wonder about how cells grow out spatially during the directed differentiation process. Labeling cells by their expression of a few canonical cell type marker genes, we showed that cells expressing the same marker tended to occur in patches observable by visual inspection, suggesting that cell type determination across multiple cell types, once initiated, is maintained in a cell-autonomous manner for multiple divisions. Altogether, our results show that while there is substantial heterogeneity in the initial hiPS cell population, that heterogeneity is not responsible for heterogeneous outcomes, and that the window during which cell type specification occurs is likely to begin shortly after the seeding of hiPS cells for differentiation.

Non-enzymatic, high-gain signal amplification methods with single-cell, single-molecule resolution are in great need. We present click-amplifying FISH (clampFISH) for the fluorescent detection of RNA that combines the specificity of oligonucleotides with bioorthogonal click chemistry in order to achieve high specificity and extremely high-gain (>400x) signal amplification. We show that clampFISH signal enables detection with low magnification microscopy and separation of cells by RNA levels via flow cytometry. Additionally, we show that the modular design of clampFISH probes enables multiplexing, that the locking mechanism prevents probe detachment in expansion microscopy, and that clampFISH works in tissue samples.