Abstract Asymmetric subcellular localization of mRNA is a common cellular phenomenon that is thought to contribute to spatial gene regulation. In highly polar neurons, subcellular transcript localization and translation are thought to enhance cellular efficiency and timely responses to external cues. Although mRNA localization has been observed in many tissues and numerous examples of the functional importance of this process exist, we still lack a systematic understanding of how the transcript sorting machinery works in a sequence-specific manner. Here, we addressed these gaps by combining subcellular transcriptomics and rationally designed sequence libraries. We developed a massively parallel reporter assay (MPRA) for mRNA localization and tested ~50,000 sequences for their ability to drive RNA localization to neurites of neuronal cell lines. By scanning the 3’UTR of >300 genes we identified many previously unknown localization regions and mapped the localization potential of endogenous sequences. Our data suggest two ways the localization potential can be encoded in the 3’UTR: focused localization motifs and broadly encoded localization potential based on small contributions. We identified sequence motifs enriched in dendritically localized transcripts and tested the potential of these motifs to affect the localization behavior of an mRNA. This assay revealed sequence elements with the ability to bias localization towards neurite as well as soma. Depletion of RNA binding proteins predicted or experimentally shown to bind these motifs abolished the effect on localization, suggesting that these motifs act by recruiting specific RNA-binding proteins. Based on our dataset we developed machine learning models that accurately predict the localization behavior of novel sequences. Testing this predictor on native mRNA sequencing data showed good agreement between predicted and observed localization potential, suggesting that the rules uncovered by our MPRA also apply to the localization of native transcripts. Applying similar systematic high-throughput approaches to other cell types will open the door for a comparative perspective on RNA localization across tissues and reveal the commonalities and differences of this crucial regulatory mechanism.

Summary Programmed ribosomal frameshifting is the controlled slippage of the translating ribosome to an alternative frame. This tightly regulated process is widely employed by human viruses such as HIV and SARS coronavirus and is critical for their life cycle and virulence. It is also utilized from yeast to human to implement a feedback control mechanism to regulate polyamine levels. Here, we developed a high-throughput, fluorescence-based approach to assess the frameshifting potential of a sequence. We designed and tested >12,000 sequences based on 15 viral and human frameshifting events, allowing us to elucidate the rules governing ribosomal frameshifting in a systematic way and to discover novel regulatory inputs based on amino acid properties and tRNA availability. We assessed the natural variation in HIV gag-pol frameshifting rates by testing >500 clinical isolates and identified subtype-specific differences as well as associations between viral load in patients and the optimality of gag-pol frameshifting rates. We further devised computational models that accurately predict frameshifting potential (up to auROC=0.93) and frameshifting rates (up to Pearson r=0.81) of novel variants, including subtle differences between HIV clinical isolates (r=0.60). Taken together, this systematic approach can contribute to the development of antiviral agents acting on programmed ribosomal frameshifting.

Most human genes are alternatively spliced, allowing for a large expansion of the proteome. The multitude of regulatory inputs to splicing limits the potential to infer general principles from investigating native sequences. Here, we created a rationally designed library of >32,000 splicing events to dissect the complexity of splicing regulation through systematic sequence alterations. Measuring RNA and protein splice isoforms allowed us to investigate both cause and effect of splicing decisions, quantify diverse regulatory inputs and accurately predict (R2=0.75-0.85) isoform ratios from sequence and secondary structure. By profiling individual cells, we measure the cell-to-cell variability of splicing decisions and show that it can be encoded in the DNA and influenced by regulatory inputs, opening the door for a novel, single-cell perspective on splicing regulation.

Cyclooxygenase-2 (COX-2) catalyzes arachidonic acid (AA) into PGH2, the single source of all prostaglandins (PGs), ligands that activate multiple inflammatory pathways. AA catalysis quickly results in suicide inactivation, rendering the enzyme catalytically inactive. We show that the catalytic activity also leads to controlled cleavage of COX-2, an event that is differentially regulated by fatty acids, and blocked by COX inhibitors. We also observe COX-2 cleavage in human colon tumors. Using mass spectrometry, we identify two adjacent cleavage points within the catalytic domain, which give rise to COX-2 fragments that are catalytically inactive and localize to different cellular compartments. One of these fragments significantly alters the expression of mitochondrial electron transport genes and functional assays show that it leads to reduced mitochondrial function, increased lactate production, and enhanced proliferation. We propose that in addition to its role in generating PGs, COX-2 has subsequent PG-independent cellular functions that may account for the complex role of COX-2 in proliferative diseases and chronic inflammation.

Summary Neuroblastoma is a lethal childhood solid tumor of developing peripheral nerves. Two percent of children with neuroblastoma develop Opsoclonus Myoclonus Ataxia Syndrome (OMAS), a paraneoplastic disease characterized by cerebellar and brainstem-directed autoimmunity, but typically with outstanding cancer-related outcomes. We compared tumor transcriptomes and tumor infiltrating T- and B-cell repertoires from 38 OMAS subjects with neuroblastoma to 26 non- OMAS associated neuroblastomas. We found greater B- and T-cell infiltration in OMAS- associated tumors compared to controls, but unexpectedly showed that both were polyclonal expansions. Tertiary lymphoid structures (TLS) were enriched in OMAS-associated tumors. We identified significant enrichment of the MHC Class II allele HLA-DOB*01:01 in OMAS patients. OMAS severity scores were associated with the expression of several candidate autoimmune genes. We propose a model in which polyclonal autoreactive B lymphocytes act as antigen presenting cells and drive TLS formation, thereby crucially supporting both sustained polyclonal T-cell-mediated anti-tumor immunity and paraneoplastic OMAS neuropathology.