Abstract The nascent mRNA transcribed in the nucleus is cleaved and polyadenylated before it is transported to the cytoplasm for translation 1 . Polyadenylation can also occur in the cytoplasm for post-transcriptional regulation, especially in neurons, oocytes and early embryos 1,2 . Recently, we revealed transcriptome-wide maternal mRNA cytoplasmic re-polyadenylation during the mammalian oocyte-to-embryo transition (OET) 3-6 . However, the mechanism of re-polyadenylation during mammalian OET, including the sites to be re-polyadenylated and the enzymes involved, is still poorly understood. Here, by analyzing the PAIso-seq1 and PAIso-seq2 poly(A) inclusive transcriptome data during OET in mice, rats, pigs, and humans, we reveal conserved re-polyadenylation of mRNA degradation intermediates. These re-polyadenylated mRNA degradation intermediates account for over half of the polyadenylated mRNA during OET in all four species. We find that mRNA degradation intermediates for re-polyadenylation are generated through Btg4-mediated deadenylation in both mouse and human. Interestingly, the poly(A) tails on the re-polyadenylated mRNA degradation intermediates are of different lengths and contain different levels of non-A residues compared to regular polyadenylation sites, suggesting specific regulation and function of these poly(A) tails in mammalian OET. Together, our findings reveal the maternal mRNA degradation intermediates as substrates for conserved cytoplasmic dominant re-polyadenylation during mammalian OET, and uncover the mechanism of production of these mRNA degradation intermediates. These findings provide new insights into mRNA post-transcriptional regulation, and a new direction for the study of mammalian OET.

SUMMARY Poly(A) tail length and non-A residues are vital for oocyte-to-embryo transition (OET) in mice and humans 1–5 . However, the role of poly(A) tail length and non-A residues during OET in other commonly used mammalian animal models for human diseases remains unexplored. In addition, the degree of conservation in maternal mRNA poly(A) tail dynamics during OET across different mammal species is unknown. Here, we conduct a comparative analysis of the poly(A) tails during OET across four species: mice, rats, pigs, and humans. Dynamics during OET found to be conserved across all four species include: maternal mRNA deadenylation during oocyte maturation and re-polyadenylation after fertilization; a fall-rise trend in poly(A) tail length distribution; a rise-fall trend in the ratio of poly(A) tails with non-A residues; higher abundance of non-A residues in poly(A) tails of maternal mRNA than in zygotic genome activation (ZGA) mRNA; maternal mRNA with U residues degrades faster than those without U residues at the stage when ZGA takes place. While in mice and rats maternal mRNA deadenylation is impaired in parthenogenetic embryos and ZGA inhibition leads to blocked maternal mRNA deadenylation in mice and humans. In contrast, the length of consecutive U residues and the duration time of U residues in poly(A) tail diverges across the four species. Together, these findings reveal that the poly(A) tail mediated maternal mRNA post-transcriptional regulation is highly conserved in mammals with unique divergences in the length and life-span of U residues, providing new insights for the further understanding of OET across different mammals.

Abstract Nearly all trait-associated variants identified in GWAS are non-coding. The cis regulatory effects of these variants have been extensively characterized, but how they impact gene regulation in trans has been the subject of much fewer studies. Mapping trans genetic effects is very challenging because their effect sizes tend to be small and a large multiple testing burden reduces the power to detect them. In addition, read mapping biases can lead to many false positives. To reduce mapping biases and substantially improve power to map trans-eQTLs, we developed a pipeline called trans-PCO, which combines careful read and gene filters with a principal component (PC)-based multivariate association test. Our simulations demonstrate that trans-PCO substantially outperforms existing trans-eQTL mapping methods, including univariate and primary PC-based methods. We applied trans-PCO to two gene expression datasets from whole blood, DGN ( N = 913) and eQTLGen ( N = 31,684), to identify trans -eQTLs associated with gene co-expression networks and hallmark gene sets representing well-defined biological processes. In total, we identified 14,985 high-quality trans -eQTLs associated with 197 co-expression gene modules and biological processes. To better understand the effects of trait-associated variants on gene regulatory networks, we performed colocalization analyses between GWAS loci of 46 complex traits and trans -eQTLs identified in DGN. We highlight several examples where our map of trans effects helps us understand how trait-associated variants impact gene regulatory networks and biological pathways. For example, we found that a locus associated with platelet traits near ARHGEF3 trans- regulates a set of co-expressed genes significantly enriched in the platelet activation pathway. Additionally, six red blood cell trait-associated loci trans -regulate a gene set representing heme metabolism, a crucial process in erythropoiesis. In conclusion, trans-PCO is a powerful and reliable tool that detects trans regulators of cellular pathways and networks, which opens up new opportunities to learn the impact of trait-associated loci on gene regulatory networks.

Abstract Mitochondria are responsible for producing a cell’s energy and play a central role in many metabolic tasks, as well as signaling transduction and cell death 1 . Mitochondria dysfunctions cause several human diseases and aging processes 2–8 . Mammalian oocytes contain far more mitochondria than somatic cells. The nuclear localization of mitochondrial tricarboxylic acid cycle (TCA) cycle enzymes, which normally localize in the mitochondria, is critical for zygotic genome activation (ZGA) and the oocyte-to-embryo transition (OET) in mice 9 . However, during the mammalian OET, the abundance and post-transcriptional regulation of mitochondrial mRNA (MT-mRNA), particularly the poly(A) tail, has never been studied. Here, we used two independent sequencing methods (PAIso-seq1 and PAIso-seq2) to describe the features of MT-mRNA in mouse cell lines, thirteen mouse tissues and during the OET in mouse, rat, pig, and humans. These features included expression abundance, poly(A) tail length, and non-A residues in poly(A) tails. Unlike nuclear mRNA, we discovered that MT-mRNA has a stable distribution pattern of poly(A) tail length in different cell lines, across tissues, and during mammalian OET. MT-mRNA possesses non-A residues in the poly(A) tail (non-A residues hereafter), which change slightly across tissues and during the OET. We also found that the abundance of MT-mRNA varies substantially across tissues, increases during the OET, and increases along major ZGA in mice, rats, pigs, and humans. These findings provide insights into changes in MT-mRNA abundance and poly(A) tail during the mammalian OET and provide a resource for future studies on the posttranscriptional regulation of mitochondrial transcripts.

ABSTRACT Neoantigens are derived from tumors but are absent in normal tissues. Emerging evidence suggests that neoantigens can stimulate tumor-specific T-cell-mediated antitumor immune responses, and neoantigens are potential immunotherapy targets. We developed ImmuneMirror as a stand-alone open-source pipeline ( https://github.com/weidai2/ImmuneMirror/ ) and a web server ( http://immunemirror.hku.hk/App/ ) incorporating a balanced random forest model for neoantigen prediction and prioritization; the model was trained and tested using known immunogenic neopeptides collected from 19 published studies. The area under the curve (AUC) of our model was 0.87. We utilized ImmuneMirror in gastrointestinal tract cancers and discovered a subgroup of microsatellite instability-high (MSI-H) colorectal cancer (CRC) patients with a low neoantigen load but a high tumor mutation burden (TMB>10 mutations per Mbp). Although the efficacy of PD-1 blockade has been demonstrated in advanced MSI-H patients, almost half of such patients do not respond well. Our study may identify MSI-H patients who do not benefit from this treatment. Additionally, the neopeptide YMCNSSCMGV-TP53 G245V , derived from a hotspot mutation restricted by HLA-A02, was identified as an actionable target in esophageal squamous cell carcinoma (ESCC). This is the largest study to comprehensively evaluate neoantigen prediction models using experimentally validated neopeptides. Our results demonstrate the reliability and effectiveness of ImmuneMirror for neoantigen prediction.

Abstract The pluripotency gene regulatory network of porcine-induced pluripotent stem cells (piPSCs), especially in epigenetics, remains elusive. To determine this biological function of epigenetics, we cultured piPSCs in different culture conditions. We found that activation of pluripotent gene- and pluripotency-related pathways requires the erasure of H3K9 methylation modification which was further influenced by mouse embryonic fibroblast (MEF) served feeder. By dissecting the dynamic change of H3K9 methylation during loss of pluripotency, we demonstrated that the H3K9 demethylases KDM3A and KDM3B regulated global H3K9me2/me3 level and that their co-depletion led to the collapse of the pluripotency gene regulatory network. Immunoprecipitation-mass spectrometry (IP-MS) provided evidence that KDM3A and KDM3B formed a complex to perform H3K9 demethylation. The genome-wide regulation analysis revealed that OCT4 (O) and SOX2 (S), the core pluripotency transcriptional activators, maintained the pluripotent state of piPSCs depending on the H3K9 hypomethylation. Further investigation revealed that O/S cooperating with histone demethylase complex containing KDM3A and KDM3B promoted pluripotency genes expression to maintain the pluripotent state of piPSCs. Together, these data offer a unique insight into the epigenetic pluripotency network of piPSCs. Summary Erasure of H3K9 methylation in porcine pluripotent stem cells depends on the complex of transcription factors OCT4/SOX2 and histone demethylase KDM3A/KDM3B.

ABSTRACT Sweet potato leaves are consumed as green leafy vegetables in most of the world due to their nutritional and functional values, and the taste characteristics determine their commodity value and consumer acceptance. However, the metabolic composition and formation mechanism of taste quality in its leaves are not clear. In this study, we found that sweet potato leaves under different growing patterns, soil culture and hydroponic culture, which result in different taste quality. In particular, the taste quality in leafy sweet potato was effectively improved under hydroponic culture. Meanwhile, we further profiled metabolites in leaves of sweet potatoes under different growing patterns by using GC–QToF–MS. A total of 200 metabolites were identified, covering most of the metabolic pathways in plants. A comparison of the good taste and poor taste of sweet potato leaves resulted in 71 metabolites related to taste quality formation. In addition, the leaves with poor taste had lower levels of metabolites regarding amino acids metabolism, whereas was accompanied by high levels of metabolites in carbohydrates and secondary metabolism. This study provides new insights into the improvement of taste quality in leafy sweet potato.

Tea is the oldest and most popular nonalcoholic beverage consumed in the world. It provides abundant secondary metabolites that account for its diverse flavors and health benefits. Here we present the first high-quality chromosome-length reference genome of C. sinensis var. sinensis using long read single-molecule real time (SMRT) sequencing and Hi-C technologies to anchor the ~2.85-Gb genome assembly into 15 pseudo-chromosomes with a scaffold N50 length of ~195.68 Mb. We annotated at least 2.17 Gb (~74.13%) of repetitive sequences and high-confidence prediction of 40,812 protein-coding genes in the ~2.92-Gb genome assembly. This accurately assembled genome allows us to comprehensively annotate functionally important gene families such as those involved in the biosynthesis of catechins, theanine and caffeine. The contiguous genome assembly provides the first view of the repetitive landscape allowing us to accurately characterize retrotransposon diversity. The large tea tree genome is dominated by a handful of Ty3-gypsy long terminal repeat (LTR) retrotransposon families that recently expanded to high copy numbers. We uncover the latest bursts of numerous non-autonomous LTR retrotransposons that may interfere with the propagation of autonomous retroelements. This reference genome sequence will largely facilitate the improvement of agronomically important traits relevant to the tea quality and production.

Abstract In genome-wide association analysis (GWAS) for binary traits, we stratified the genomic generalized linear mixed model (GLMM) into two hierarchies—the GLMM regarding genomic breeding values (GBVs) and a generalized linear regression of the normally distributed GBVs to the tested marker effects. In the first hierarchy, the GBVs were predicted by solving for the genomic best linear unbiased prediction for GLMM with the estimated variance components or genomic heritability in advance, and in the second hierarchy, association tests were performed using the generalized least square (GLS) method for the GBVs. Like the Hi-LMM for regular quantitative traits, the so-called Hi-GLMM method exhibited higher statistical power to detect quantitative trait nucleotides (QTNs) with better genomic control for complex population structure than existing methods, especially when the GBVs were estimated precisely and using joint association analysis for QTN candidates obtained from a test at once. Application of the Hi-GLMM to re-analyze maize kernel colors and six human diseases illustrated its advantage over existing GLMM-based association methods in terms of computing efficiency and statistical power.

Large-scale whole-genome sequencing (WGS) studies have improved our understanding of the contributions of coding and noncoding rare variants to complex human traits. Leveraging association effect sizes across multiple traits in WGS rare variant association analysis can improve statistical power over single-trait analysis, and also detect pleiotropic genes and regions. Existing multi-trait methods have limited ability to perform rare variant analysis of large-scale WGS data. We propose MultiSTAAR, a statistical framework and computationally-scalable analytical pipeline for functionally-informed multi-trait rare variant analysis in large-scale WGS studies. MultiSTAAR accounts for relatedness, population structure and correlation among phenotypes by jointly analyzing multiple traits, and further empowers rare variant association analysis by incorporating multiple functional annotations. We applied MultiSTAAR to jointly analyze three lipid traits (low-density lipoprotein cholesterol, high-density lipoprotein cholesterol and triglycerides) in 61,861 multi-ethnic samples from the Trans-Omics for Precision Medicine (TOPMed) Program. We discovered new associations with lipid traits missed by single-trait analysis, including rare variants within an enhancer of NIPSNAP3A and an intergenic region on chromosome 1.