Enhancers control the correct temporal and cell-type-specific activation of gene expression in multicellular eukaryotes. Knowing their properties, regulatory activity and targets is crucial to understand the regulation of differentiation and homeostasis. Here we use the FANTOM5 panel of samples, covering the majority of human tissues and cell types, to produce an atlas of active, in vivo-transcribed enhancers. We show that enhancers share properties with CpG-poor messenger RNA promoters but produce bidirectional, exosome-sensitive, relatively short unspliced RNAs, the generation of which is strongly related to enhancer activity. The atlas is used to compare regulatory programs between different cells at unprecedented depth, to identify disease-associated regulatory single nucleotide polymorphisms, and to classify cell-type-specific and ubiquitous enhancers. We further explore the utility of enhancer redundancy, which explains gene expression strength rather than expression patterns. The online FANTOM5 enhancer atlas represents a unique resource for studies on cell-type-specific enhancers and gene regulation. Using the FANTOM5 CAGE expression atlas, the authors show that bidirectional capped RNAs are a signature feature of active enhancers and identify over 40,000 enhancer candidates from over 800 human cell and tissue samples across the whole human body. FANTOM5 (standing for functional annotation of the mammalian genome 5) is the fifth major stage of a major international collaboration that aims to dissect the transcriptional regulatory networks that define every human cell type. Two Articles in this issue of Nature present some of the project's latest results. The first paper uses the FANTOM5 panel of tissue and primary cell samples to define an atlas of active, in vivo bidirectionally transcribed enhancers across the human body. These authors show that bidirectional capped RNAs are a signature feature of active enhancers and identify more than 40,000 enhancer candidates from over 800 human cell and tissue samples. The enhancer atlas is used to compare regulatory programs between different cell types and identify disease-associated regulatory SNPs, and will be a resource for studies on cell-type-specific enhancers. In the second paper, single-molecule sequencing is used to map human and mouse transcription start sites and their usage in a panel of distinct human and mouse primary cells, cell lines and tissues to produce the most comprehensive mammalian gene expression atlas to date. The data provide a plethora of insights into open reading frames and promoters across different cell types in addition to valuable annotation of mammalian cell-type-specific transcriptomes.

Regulated transcription controls the diversity, developmental pathways and spatial organization of the hundreds of cell types that make up a mammal. Using single-molecule cDNA sequencing, we mapped transcription start sites (TSSs) and their usage in human and mouse primary cells, cell lines and tissues to produce a comprehensive overview of mammalian gene expression across the human body. We find that few genes are truly ‘housekeeping’, whereas many mammalian promoters are composite entities composed of several closely separated TSSs, with independent cell-type-specific expression profiles. TSSs specific to different cell types evolve at different rates, whereas promoters of broadly expressed genes are the most conserved. Promoter-based expression analysis reveals key transcription factors defining cell states and links them to binding-site motifs. The functions of identified novel transcripts can be predicted by coexpression and sample ontology enrichment analyses. The functional annotation of the mammalian genome 5 (FANTOM5) project provides comprehensive expression profiles and functional annotation of mammalian cell-type-specific transcriptomes with wide applications in biomedical research. A study from the FANTOM consortium using single-molecule cDNA sequencing of transcription start sites and their usage in human and mouse primary cells, cell lines and tissues reveals insights into the specificity and diversity of transcription patterns across different mammalian cell types. FANTOM5 (standing for functional annotation of the mammalian genome 5) is the fifth major stage of a major international collaboration that aims to dissect the transcriptional regulatory networks that define every human cell type. Two Articles in this issue of Nature present some of the project's latest results. The first paper uses the FANTOM5 panel of tissue and primary cell samples to define an atlas of active, in vivo bidirectionally transcribed enhancers across the human body. These authors show that bidirectional capped RNAs are a signature feature of active enhancers and identify more than 40,000 enhancer candidates from over 800 human cell and tissue samples. The enhancer atlas is used to compare regulatory programs between different cell types and identify disease-associated regulatory SNPs, and will be a resource for studies on cell-type-specific enhancers. In the second paper, single-molecule sequencing is used to map human and mouse transcription start sites and their usage in a panel of distinct human and mouse primary cells, cell lines and tissues to produce the most comprehensive mammalian gene expression atlas to date. The data provide a plethora of insights into open reading frames and promoters across different cell types in addition to valuable annotation of mammalian cell-type-specific transcriptomes.

Long non-coding RNAs (lncRNAs) are largely heterogeneous and functionally uncharacterized. Here, using FANTOM5 cap analysis of gene expression (CAGE) data, we integrate multiple transcript collections to generate a comprehensive atlas of 27,919 human lncRNA genes with high-confidence 5′ ends and expression profiles across 1,829 samples from the major human primary cell types and tissues. Genomic and epigenomic classification of these lncRNAs reveals that most intergenic lncRNAs originate from enhancers rather than from promoters. Incorporating genetic and expression data, we show that lncRNAs overlapping trait-associated single nucleotide polymorphisms are specifically expressed in cell types relevant to the traits, implicating these lncRNAs in multiple diseases. We further demonstrate that lncRNAs overlapping expression quantitative trait loci (eQTL)-associated single nucleotide polymorphisms of messenger RNAs are co-expressed with the corresponding messenger RNAs, suggesting their potential roles in transcriptional regulation. Combining these findings with conservation data, we identify 19,175 potentially functional lncRNAs in the human genome. A catalogue of human long non-coding RNA genes and their expression profiles across samples from major human primary cell types, tissues and cell lines. Alistair Forrest, Piero Carninci and colleagues of the FANTOM Consortium provide a catalogue of human long non-coding RNA (lncRNA) genes and their expression profiles across samples from human primary cell types, tissues and cell lines. They used combined analyses of multiple data sets to identify 27,919 lncRNA genes with high-confidence 5′ ends, as well as a subset of 19,175 potentially functional lncRNA loci. The lncRNA catalogue and annotations are available through an open web resource.

An atlas of microRNA expression patterns and regulators is produced by deep sequencing of short RNAs in human and mouse cells. MicroRNAs (miRNAs) are short non-coding RNAs with key roles in cellular regulation. As part of the fifth edition of the Functional Annotation of Mammalian Genome (FANTOM5) project, we created an integrated expression atlas of miRNAs and their promoters by deep-sequencing 492 short RNA (sRNA) libraries, with matching Cap Analysis Gene Expression (CAGE) data, from 396 human and 47 mouse RNA samples. Promoters were identified for 1,357 human and 804 mouse miRNAs and showed strong sequence conservation between species. We also found that primary and mature miRNA expression levels were correlated, allowing us to use the primary miRNA measurements as a proxy for mature miRNA levels in a total of 1,829 human and 1,029 mouse CAGE libraries. We thus provide a broad atlas of miRNA expression and promoters in primary mammalian cells, establishing a foundation for detailed analysis of miRNA expression patterns and transcriptional control regions.

The HAD (haloacid dehalogenase) superfamily includes phosphoesterases, ATPases, phosphonatases, dehalogenases, and sugar phosphomutases acting on a remarkably diverse set of substrates. The availability of numerous crystal structures of representatives belonging to diverse branches of the HAD superfamily provides us with a unique opportunity to reconstruct their evolutionary history and uncover the principal determinants that led to their diversification of structure and function. To this end we present a comprehensive analysis of the HAD superfamily that identifies their unique structural features and provides a detailed classification of the entire superfamily. We show that at the highest level the HAD superfamily is unified with several other superfamilies, namely the DHH, receiver (CheY-like), von Willebrand A, TOPRIM, classical histone deacetylases and PIN/FLAP nuclease domains, all of which contain a specific form of the Rossmannoid fold. These Rossmannoid folds are distinguished from others by the presence of equivalently placed acidic catalytic residues, including one at the end of the first core beta-strand of the central sheet. The HAD domain is distinguished from these related Rossmannoid folds by two key structural signatures, a "squiggle" (a single helical turn) and a "flap" (a beta hairpin motif) located immediately downstream of the first beta-strand of their core Rossmanoid fold. The squiggle and the flap motifs are predicted to provide the necessary mobility to these enzymes for them to alternate between the "open" and "closed" conformations. In addition, most members of the HAD superfamily contains inserts, termed caps, occurring at either of two positions in the core Rossmannoid fold. We show that the cap modules have been independently inserted into these two stereotypic positions on multiple occasions in evolution and display extensive evolutionary diversification independent of the core catalytic domain. The first group of caps, the C1 caps, is directly inserted into the flap motif and regulates access of reactants to the active site. The second group, the C2 caps, forms a roof over the active site, and access to their internal cavities might be in part regulated by the movement of the flap. The diversification of the cap module was a major factor in the exploration of a vast substrate space in the course of the evolution of this superfamily. We show that the HAD superfamily contains 33 major families distributed across the three superkingdoms of life. Analysis of the phyletic patterns suggests that at least five distinct HAD proteins are traceable to the last universal common ancestor (LUCA) of all extant organisms. While these prototypes diverged prior to the emergence of the LUCA, the major diversification in terms of both substrate specificity and reaction types occurred after the radiation of the three superkingdoms of life, primarily in bacteria. Most major diversification events appear to correlate with the acquisition of new metabolic capabilities, especially related to the elaboration of carbohydrate metabolism in the bacteria. The newly identified relationships and functional predictions provided here are likely to aid the future exploration of the numerous poorly understood members of this large superfamily of enzymes.

Animal microRNA sequences are subject to 3′ nucleotide addition. Through detailed analysis of deep-sequenced short RNA data sets, we show adenylation and uridylation of miRNA is globally present and conserved across Drosophila and vertebrates. To better understand 3′ adenylation function, we deep-sequenced RNA after knockdown of nucleotidyltransferase enzymes. The PAPD4 nucleotidyltransferase adenylates a wide range of miRNA loci, but adenylation does not appear to affect miRNA stability on a genome-wide scale. Adenine addition appears to reduce effectiveness of miRNA targeting of mRNA transcripts while deep-sequencing of RNA bound to immunoprecipitated Argonaute (AGO) subfamily proteins EIF2C1–EIF2C3 revealed substantial reduction of adenine addition in miRNA associated with EIF2C2 and EIF2C3. Our findings show 3′ addition events are widespread and conserved across animals, PAPD4 is a primary miRNA adenylating enzyme, and suggest a role for 3′ adenine addition in modulating miRNA effectiveness, possibly through interfering with incorporation into the RNA-induced silencing complex (RISC), a regulatory role that would complement the role of miRNA uridylation in blocking DICER1 uptake.

Abstract Stalled ribosomes are rescued by pathways that recycle the ribosome and target the nascent polypeptide for degradation. In E. coli , these pathways are triggered by ribosome collisions through recruitment of SmrB, a nuclease that cleaves the mRNA. In B. subtilis , the related protein MutS2 was recently implicated in ribosome rescue. Here we show that MutS2 is recruited to collisions by its SMR and KOW domains and reveal the interaction of these domains with collided ribosomes by cryo-EM. Using a combination of in vivo and in vitro approaches, we show that MutS2 uses its ABC ATPase activity to split ribosomes, targeting the nascent peptide for degradation by the ribosome quality control pathway. Notably, we see no evidence of mRNA cleavage by MutS2, nor does it promote ribosome rescue by tmRNA as SmrB cleavage does in E. coli . These findings clarify the biochemical and cellular roles of MutS2 in ribosome rescue in B. subtilis and raise questions about how these pathways function differently in various bacteria.

In Ribosome-associated Quality Control (RQC), nascent-polypeptides produced by interrupted translation are modified with C-terminal polyalanine tails ('Ala-tails') that function outside ribosomes to induce ubiquitylation by Pirh2 or CRL2-KLHDC10 E3 ligases. Here we investigate the molecular basis of Ala-tail function using biochemical and in silico approaches. We show that Pirh2 and KLHDC10 directly bind to Ala-tails, and structural predictions identify candidate Ala-tail binding sites, which we experimentally validate. The degron-binding pockets and specific pocket residues implicated in Ala-tail recognition are conserved among Pirh2 and KLHDC10 homologs, suggesting that an important function of these ligases across eukaryotes is in targeting Ala-tailed substrates. Moreover, we establish that the two Ala-tail binding pockets have convergently evolved, either from an ancient module of bacterial provenance (Pirh2) or via tinkering of a widespread C-degron recognition element (KLHDC10). These results shed light on the recognition of a simple degron sequence and the evolution of Ala-tail proteolytic signaling.

Abstract Ribosome rescue pathways recycle stalled ribosomes and target problematic mRNAs and aborted proteins for degradation. In bacteria, it remains unclear how rescue pathways distinguish ribosomes stalled in the middle of a transcript from actively translating ribosomes. In a genetic screen in E. coli , we discovered a novel rescue factor that has endonuclease activity. SmrB cleaves mRNAs upstream of stalled ribosomes, allowing the ribosome rescue factor tmRNA (which acts on truncated mRNAs) to rescue upstream ribosomes. SmrB is recruited by ribosome collisions; cryo-EM structures of collided disomes from E. coli and B. subtilis reveal a distinct and conserved arrangement of the individual ribosomes and the composite SmrB binding site. These findings reveal the underlying mechanism by which ribosome collisions trigger ribosome rescue in bacteria.

Although many antibiotics inhibit bacterial ribosomes, loss of known factors that rescue stalled ribosomes does not lead to robust antibiotic sensitivity in