SUMMARY We introduce APEX-seq, a method for RNA sequencing based on spatial proximity to the peroxidase enzyme APEX2. APEX-seq in nine distinct subcellular locales produced a nanometer-resolution spatial map of the human transcriptome, revealing extensive and exquisite patterns of localization for diverse RNA classes and transcript isoforms. We uncover a radial organization of the nuclear transcriptome, which is gated at the inner surface of the nuclear pore for cytoplasmic export of processed transcripts. We identify two distinct pathways of messenger RNA localization to mitochondria, each associated with specific sets of transcripts for building complementary macromolecular machines within the organelle. APEX-seq should be widely applicable to many systems, enabling comprehensive investigations of the spatial transcriptome.

Abstract It has been challenging to characterize the lineage relationships among cells in vertebrates, which comprise a great number of cells. Fortunately, recent progress has been made by combining the CRISPR barcoding system with single-cell sequencing technologies to provide an unprecedented opportunity to track lineage at single-cell resolution. However, due to errors and/or dropouts introduced by amplification and sequencing, reconstruction of accurate lineage relationships in complex organisms remains a challenge. Thus, improvements in both experimental design and computational analysis are necessary for lineage inference. In this study, we employed single-cell Lineage tracing On Endogenous Scarring Sites (scLOESS), a lineage recording strategy based on the CRISPR-Cas9 system, to trace cell fate commitments for zebrafish larvae. With rigorous quality control, we demonstrated that lineage commitments of complex organisms could be inferred from a limited number of barcoding sites. Together with cell-type characterization, our method could homogenously recover lineage information. In combination with the cell-type and lineage information, we depicted the development histories for germ layers as well as cell types. Furthermore, when combined with trajectory analysis, our methods could capture and resolve the ongoing lineage commitment events to gain further biological insights into later development and differentiation in complex organisms.

The challenge of linking intergenic mutations to target genes has limited molecular understanding of human diseases. Here, we show that H3K27ac HiChIP generates high-resolution contact maps of active enhancers and target genes in rare primary human T cell subtypes and coronary artery smooth muscle cells. Differentiation of naive T cells to T helper 17 cells or regulatory T cells creates subtype-specific enhancer-promoter interactions, specifically at regions of shared DNA accessibility. These data provide a principled means of assigning molecular functions to autoimmune and cardiovascular disease risk variants, linking hundreds of noncoding variants to putative gene targets. Target genes identified with HiChIP are further supported by CRISPR interference and activation at linked enhancers, by the presence of expression quantitative trait loci, and by allele-specific enhancer loops in patient-derived primary cells. The majority of disease-associated enhancers contact genes beyond the nearest gene in the linear genome, leading to a four-fold increase of potential target genes for autoimmune and cardiovascular diseases.

Many long noncoding RNAs (lncRNAs) regulate gene transcription through binding to histone modification complexes. Therefore, a comprehensive study of nuclear RNAs in a histone modification-specific manner is critical to understand their regulatory mechanisms. Here we develop a method named Profiling Interacting RNAs on Chromatin by deep sequencing (PIRCh-seq), in which we profile chromatin-associated transcriptome in 5 different cell types using antibodies recognizing histone H3 and 6 distinct histone modifications associated with active or repressive chromatin states. PIRCh-seq identified chromatin-associated RNAs with substantially less contamination by nascent transcripts, as compared to existing methods. We classified chromatin-enriched lncRNAs into 6 functional groups based on the patterns of their association with specific histone modifications. LncRNAs were enriched with different chromatin modifications in different cell types, suggesting lncRNAs' regulation may also be cell type-specific. By integrating profiles of RNA secondary structure and RNA m6A modification, we found that RNA bases which bind to chromatin tend to be more single stranded. We discovered hundreds of allele-specific RNA-chromatin interactions, nominating specific single nucleotide variants that alter RNA association with chromatin. These results provide a unique resource to globally study the functions of chromatin-associated lncRNAs and elucidate the basic mechanisms of chromatin-RNA interaction.

The Red Queen hypothesis depicts evolution as the continual struggle to adapt. The hypothesis, commonly invoked to explain organismal evolution, can also be applied to genic evolution. According to this hypothesis, new genes, especially those originating from non-genic sequences (i.e., de novo genes), would be eliminated unless they evolve continually to adapt to a changing world. Non-coding genes, represented by microRNAs (miRNAs), are the most common de novo genes. Here, we analyze six Drosophila de novo miRNAs that are testis-specific. These miRNAs exhibit a very high rate of evolution in their DNA sequence, transcript production, and expression pattern. We knock out two of the youngest miRNAs and observe three patterns. 1) The fitness advantage of miR-984 presence seems to have vanished in D. melanogaster even though its DNA sequence bears a signature of past adaptation. 2) Another gene, miR-983, appears to have become maladaptive in D. melanogaster as the fitness of the knockout mutant increases. 3) In D. simulans, the deletion of miR-983 is associated with extensive mis-regulation of male reproductive genes, resulting in a 70% loss in male fertility. The fitness contributions of these genes are, respectively, neutral, negative, and positive. As predicted by the Red Queen hypothesis, de novo genes either evolve rapidly or face elimination.

Long noncoding RNAs (lncRNAs) have been shown to act as important cell biological regulators including cell fate decisions but are often ignored in human genetics. Combining differential lncRNA expression during neuronal lineage induction with copy number variation morbidity maps of a cohort of children with autism spectrum disorder/intellectual disability versus healthy controls revealed focal genomic mutations affecting several lncRNA candidate loci. Here we find that a t(5:12) chromosomal translocation in a family manifesting neurodevelopmental symptoms disrupts specifically lnc-NR2F1. We further show that lnc-NR2F1 is an evolutionarily conserved lncRNA functionally enhances induced neuronal cell maturation and directly occupies and regulates transcription of neuronal genes including autism-associated genes. Thus, integrating human genetics and functional testing in neuronal lineage induction is a promising approach for discovering candidate lncRNAs involved in neurodevelopmental diseases.

Simultaneous measurement of cell lineage and cell fates is a longstanding goal in biomedicine. Here we describe EMBLEM, a strategy to track cell lineage using endogenous mitochondrial DNA variants in ATAC-seq data. We show that somatic mutations in mitochondrial DNA can reconstruct cell lineage relationships at single cell resolution with high sensitivity and specificity. Using EMBLEM, we define the genetic and epigenomic clonal evolution of hematopoietic stem cells and their progenies in patients with acute myeloid leukemia. EMBLEM extends lineage tracing to any eukaryotic organism without genetic engineering.

Dosage compensation between the sexes has emerged independently multiple times during evolution, often harnessing long noncoding RNAs (lncRNAs) to alter gene expression on the sex chromosomes. In eutherian mammals, X chromosome inactivation (XCI) in females proceeds via the lncRNA Xist, which coats one of the two X chromosomes and recruits repressive proteins to epigenetically silence gene expression in cis. How Xist evolved new functional RNA domains to recruit ancient, pleiotropic protein partners is of great interest. Here we show that Spen, an Xist-binding repressor protein essential for XCI, binds to ancient retroviral RNA, performing a surveillance role to recruit chromatin silencing machinery to these parasitic loci. Spen inactivation leads to de- repression of a subset of endogenous retroviral (ERV) elements in embryonic stem cells, with gain of chromatin accessibility, active histone modifications, and ERV RNA transcription. Spen binds directly to ERV RNAs that show structural similarity to the A- repeat of Xist, a region critical for Xist-mediated gene silencing. ERV RNA and Xist A- repeat bind the RRM3 domain of Spen in a competitive manner. Insertion of an ERV into an A-repeat deficient Xist rescues binding of Xist RNA to Spen and results in local gene silencing in cis. These results suggest that insertion of an ERV element into proto-Xist may have been a critical evolutionary event, which allowed Xist to coopt transposable element RNA-protein interactions to repurpose powerful antiviral chromatin silencing machinery for sex chromosome dosage compensation.

Honeybee, positioned as an outgroup of flies and mosquitos, have exhibited intriguing duplications and expansions of OR genes in genomic studies. However, little is known about how the OR genes are expressed and regulated in honeybee olfactory sensory neurons (OSNs). In this study, we utilized a single-cell multi-omics approach to profile the transcriptome and chromatin accessibility in Apis mellifera antennal nuclei, aiming to elucidate OR gene expression and its underlying regulatory mechanisms. Our systematical analysis unveiled a similar singular expression pattern of ligand-specific receptors in Apis mellifera OSNs, parallel with those observed in Drosophila melanogaster. Mechanistically, we discovered that promoter activation of OR genes orchestrates receptor expression patterns. For instance, although multiple adjacent OR genes are co-expressed with a single active promoter through polycistronic transcription, only the first OR gene could produce functional receptor protein, as supported by transcriptome quantification in OSNs. Additionally, we found that co-expression of receptor proteins might occur only when co-expressed OR genes possess multiple accessible promoters. This scenario is less common than expected, considering the number and evolutionary age of OR genes in Apis mellifera, suggesting a selection favoring the specialization of rapidly expanded OR genes in Apis mellifera. Overall, our study provides significant insights into the insect olfaction system and the regulatory mechanisms of OR genes expression.

ABSTRACT Mitochondria are essential organelles in eukaryotic cells that provide critical support for energetic and metabolic homeostasis. Mutations that accumulate in mitochondrial DNA (mtDNA) in somatic cells have been implicated in cancer, degenerative diseases, and the aging process. However, the mechanisms used by somatic cells to maintain proper functions despite their mtDNA mutation load are poorly understood. Here, we analyzed somatic mtDNA mutations in more than 30,000 human single peripheral and bone marrow mononuclear cells and observed a significant overrepresentation of homoplastic mtDNA mutations in B, T and NK lymphocytes despite their lower mutational burden than other hematopoietic cells. The characteristic mutational landscape of mtDNA in lymphocytes were validated with data from multiple platforms and individuals. Single-cell RNA-seq and computational modeling demonstrated a stringent mitochondrial bottleneck during lymphocyte development likely caused by lagging mtDNA replication relative to cell proliferation. These results illuminate a potential mechanism used by highly metabolically active immune cells for quality control of their mitochondrial genomes.