Preserving skeletal muscle function is essential to maintain life quality at high age. Calorie restriction (CR) potently extends health and lifespan, but is largely unachievable in humans, making "CR mimetics" of great interest. CR targets nutrient-sensing pathways centering on mTORC1. The mTORC1 inhibitor, rapamycin, is considered a potential CR mimetic and is proven to counteract age-related muscle loss. Therefore, we tested whether rapamycin acts via similar mechanisms as CR to slow muscle aging. Here we show that long-term CR and rapamycin unexpectedly display distinct gene expression profiles in geriatric mouse skeletal muscle, despite both benefiting aging muscles. Furthermore, CR improves muscle integrity in mice with nutrient-insensitive, sustained muscle mTORC1 activity and rapamycin provides additive benefits to CR in naturally aging mouse muscles. We conclude that rapamycin and CR exert distinct, compounding effects in aging skeletal muscle, thus opening the possibility of parallel interventions to counteract muscle aging.

Abstract Background Nonsense-mediated mRNA decay (NMD) is a eukaryotic, translation-dependent degradation pathway that targets mRNAs with premature termination codons and also regulates the expression of some mRNAs that encode full-length proteins. Although many genes express NMD-sensitive transcripts, identifying them based on short-read sequencing data remains a challenge. Results To identify and analyze endogenous targets of NMD, we applied cDNA Nanopore sequencing and short-read sequencing to human cells with varying expression levels of NMD factors. Our approach detects full-length NMD substrates that are highly unstable and increase in levels or even only appear when NMD is inhibited. Among the many new NMD-targeted isoforms that our analysis identified, most derive from alternative exon usage. The isoform-aware analysis revealed many genes with significant changes in splicing but no significant changes in overall expression levels upon NMD knockdown. NMD-sensitive mRNAs have more exons in the 3΄UTR and, for those mRNAs with a termination codon in the last exon, the length of the 3΄UTR per se does not correlate with NMD sensitivity. Analysis of splicing signals reveals isoforms where NMD has been co-opted in the regulation of gene expression, though the main function of NMD seems to be ridding the transcriptome of isoforms resulting from spurious splicing events. Conclusions Long-read sequencing enabled the identification of many novel NMD-sensitive mRNAs and revealed both known and unexpected features concerning their biogenesis and their biological role. Our data provide a highly valuable resource of human NMD transcript targets for future genomic and transcriptomic applications.

Abstract RNA sequencing (RNA-seq) is a crucial technique for many scientific studies and multiple models, and software packages have been developed for the processing and analysis of such data. Given the plethora of available tools, choosing the most appropriate ones is a time-consuming process that requires an in-depth understanding of the data, as well as of the principles and parameters of each tool. In addition, packages designed for individual tasks are developed in different programming languages and have dependencies of various degrees of complexity, which renders their installation and execution challenging for users with limited computational expertise. The use of workflow languages and execution engines with support for virtualization and encapsulation options such as containers and Conda environments facilitates these tasks considerably. Computational workflows defined in those languages can be reliably shared with the scientific community, enhancing reusability, while improving reproducibility of results by making individual analysis steps more transparent. Here we present ZARP, a general purpose RNA-seq analysis workflow which builds on state-of-the-art software in the field to facilitate the analysis of RNA-seq data sets. ZARP is developed in the Snakemake workflow language using best software development practices. It can run locally or in a cluster environment, generating extensive reports not only of the data but also of the options utilized. It is built using modern technologies with the ultimate goal to reduce the hands-on time for bioinformaticians and non-expert users. ZARP is available under a permissive Open Source license and open to contributions by the scientific community. Contact mihaela.zavolan@unibas.ch , alexander.kanitz@unibas.ch

Abstract We present RCRUNCH, an end-to-end solution to CLIP data analysis for identification of binding sites and sequence specificity of RNA-binding proteins. RCRUNCH can analyze not only reads that map uniquely to the genome, but also those that map to multiple genome locations or across splice boundaries, and can consider various types of background in the estimation of read enrichment. By applying RCRUNCH to the eCLIP data from the ENCODE project, we have constructed a comprehensive and homogeneous resource of in vivo -bound RBP sequence motifs. RCRUNCH automates the reproducible analysis of CLIP data, enabling studies of post-transcriptional control of gene expression.

Increasingly many studies reveal how ribosome composition can be tuned to optimally translate the transcriptome of individual cell types. In this study, we investigated the expression pattern, structure within the ribosome and effect on protein synthesis of the ribosomal protein paralog 39L (RPL39L). With a novel mass spectrometric approach we revealed the expression of RPL39L protein beyond mouse germ cells, in human pluripotent cells, cancer cell lines and tissue samples. We generated RPL39L knock-out mouse embryonic stem cell (mESC) lines and demonstrated that RPL39L impacts the dynamics of translation, to support the pluripotency and differentiation, spontaneous and along the germ cell lineage. Most differences in protein abundance between WT and RPL39L KO lines were explained by widespread autophagy. By CryoEM analysis of purified RPL39 and RPL39L-containing ribosomes we found that, unlike RPL39, RPL39L has two distinct conformations in the exposed segment of the nascent peptide exit tunnel, creating a distinct hydrophobic patch that has been predicted to support the efficient co-translational folding of alpha helices. Our study shows that ribosomal protein paralogs provide switchable modular components that can tune translation to the protein production needs of individual cell types.

Abstract Maturation of eukaryotic pre-mRNAs via splicing, 3’ end cleavage and polyadenylation is modulated across cell types and conditions by a variety of RNA-binding proteins (RBPs). Although over 1’500 proteins are associated with RNAs in human cells, their binding motifs, targets and functions still remain to be elucidated, especially in the complex environment of human tissues and in the context of diseases. To overcome the lack of methods for systematic and automated detection of sequence motif-guided changes in pre-mRNA processing based on RNA sequencing (RNA-seq) data we have developed MAPP (Motif Activity on Pre-mRNA Processing). We demonstrate MAPP’s functionality by applying it to RNA-seq data from 284 RBP knock-down experiments in the ENCODE project, from which MAPP not only infers position-dependent impact profiles of known regulators, but also reveals RBPs that modulate both the inclusion of cassette exons and the poly(A) site choice. Among these, the Polypyrimidine Tract Binding Protein 1 (PTBP1) has a similar activity in glioblastoma samples. This highlights the ability of MAPP to unveil global regulators of mRNA processing under physiological and pathological conditions.

Abstract As global life expectancy continues to climb, maintaining skeletal muscle function is increasingly essential to ensure a good life quality for aging populations. Calorie restriction (CR) is the most potent and reproducible intervention to extend health and lifespan, but is largely unachievable in humans. Therefore, identification of “CR mimetics” has received much attention. CR targets nutrient-sensing pathways centering on mTORC1. The mTORC1 inhibitor, rapamycin, has been proposed as a potential CR mimetic and is proven to counteract age-related muscle loss. Therefore, we tested whether rapamycin acts via similar mechanisms as CR to slow muscle aging. Contrary to our expectation, long-term CR and rapamycin-treated geriatric mice display distinct skeletal muscle gene expression profiles despite both conferring benefits to aging skeletal muscle. Furthermore, CR improved muscle integrity in a mouse with nutrient-insensitive sustained muscle mTORC1 activity and rapamycin provided additive benefits to CR in aging mouse muscles. Therefore, RM and CR exert distinct, compounding effects in aging skeletal muscle, opening the possibility of parallel interventions to counteract muscle aging.

Abstract Muscle size is controlled by the PI3K-PKB/Akt-mTORC1-FoxO pathway, which integrates signals from growth factors, energy and amino acids to activate protein synthesis and inhibit protein breakdown. While mTORC1 activity is necessary for PKB/Akt-induced muscle hypertrophy, its constant activation alone induces muscle atrophy. Here we show that this paradox is based on mTORC1 activity promoting protein breakdown through the ubiquitin-proteasome system (UPS) by simultaneously inducing ubiquitin E3 ligase expression via feedback inhibition of PKB/Akt and proteasome biogenesis via Nuclear Factor Erythroid 2-Like 1 (Nrf1). Muscle growth was restored by reactivation of PKB/Akt, but not by Nrf1 knockdown, implicating ubiquitination as the limiting step. However, both PKB/Akt activation and proteasome depletion by Nrf1 knockdown led to an immediate disruption of proteome integrity with rapid accumulation of damaged material. These data highlight the physiological importance of mTORC1-mediated PKB/Akt inhibition and point to juxtaposed roles of the UPS in atrophy and proteome integrity.

The design of nucleotide sequences with defined properties is a long-standing problem in bioengineering. An important application is protein expression, be it in the context of research or the production of mRNA vaccines. The rate of protein synthesis depends on the 5' untranslated region (5'UTR) of the mRNAs, and recently, deep learning models were proposed to predict the translation output of mRNAs from the 5'UTR sequence. At the same time, large data sets of endogenous and reporter mRNA translation have become available.

DNA repair is directly performed by hundreds of core factors and indirectly regulated by thousands of others. We massively expanded a CRISPR inhibition and Cas9-editing screening system to discover factors indirectly modulating homology-directed repair (HDR) in the context of ∼18,000 individual gene knockdowns. We focused on CCAR1, a poorly understood gene that we found the depletion of reduced both HDR and interstrand crosslink repair, phenocopying the loss of the Fanconi anemia pathway. CCAR1 loss abrogated FANCA protein without substantial reduction in the level of its mRNA or that of other FA genes. We instead found that CCAR1 prevents inclusion of a poison exon in FANCA. Transcriptomic analysis revealed that the CCAR1 splicing modulatory activity is not limited to FANCA, and it instead regulates widespread changes in alternative splicing that would damage coding sequences in mouse and human cells. CCAR1 therefore has an unanticipated function as a splicing fidelity factor.