Abstract Summary: The Biopython project is a mature open source international collaboration of volunteer developers, providing Python libraries for a wide range of bioinformatics problems. Biopython includes modules for reading and writing different sequence file formats and multiple sequence alignments, dealing with 3D macro molecular structures, interacting with common tools such as BLAST, ClustalW and EMBOSS, accessing key online databases, as well as providing numerical methods for statistical learning. Availability: Biopython is freely available, with documentation and source code at www.biopython.org under the Biopython license. Contact: All queries should be directed to the Biopython mailing lists, see www.biopython.org/wiki/_Mailing_listspeter.cock@scri.ac.uk.

Abstract Summary: We have implemented k-means clustering, hierarchical clustering and self-organizing maps in a single multipurpose open-source library of C routines, callable from other C and C++ programs. Using this library, we have created an improved version of Michael Eisen's well-known Cluster program for Windows, Mac OS X and Linux/Unix. In addition, we generated a Python and a Perl interface to the C Clustering Library, thereby combining the flexibility of a scripting language with the speed of C. Availability: The C Clustering Library and the corresponding Python C extension module Pycluster were released under the Python License, while the Perl module Algorithm::Cluster was released under the Artistic License. The GUI code Cluster 3.0 for Windows, Macintosh and Linux/Unix, as well as the corresponding command-line program, were released under the same license as the original Cluster code. The complete source code is available at http://bonsai.ims.u-tokyo.ac.jp/~mdehoon/software/cluster. Alternatively, Algorithm::Cluster can be downloaded from CPAN, while Pycluster is also available as part of the Biopython distribution.

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.

The FANTOM5 project investigates transcription initiation activities in more than 1,000 human and mouse primary cells, cell lines and tissues using CAGE. Based on manual curation of sample information and development of an ontology for sample classification, we assemble the resulting data into a centralized data resource ( http://fantom.gsc.riken.jp/5/ ). This resource contains web-based tools and data-access points for the research community to search and extract data related to samples, genes, promoter activities, transcription factors and enhancers across the FANTOM5 atlas.

Although it is generally accepted that cellular differentiation requires changes to transcriptional networks, dynamic regulation of promoters and enhancers at specific sets of genes has not been previously studied en masse. Exploiting the fact that active promoters and enhancers are transcribed, we simultaneously measured their activity in 19 human and 14 mouse time courses covering a wide range of cell types and biological stimuli. Enhancer RNAs, then messenger RNAs encoding transcription factors, dominated the earliest responses. Binding sites for key lineage transcription factors were simultaneously overrepresented in enhancers and promoters active in each cellular system. Our data support a highly generalizable model in which enhancer transcription is the earliest event in successive waves of transcriptional change during cellular differentiation or activation.

Non-coding RNAs (ncRNAs) are involved in an increasingly recognized number of cellular events. Some ncRNAs are processed by DICER and DROSHA RNases to give rise to small double-stranded RNAs involved in RNA interference (RNAi). The DNA-damage response (DDR) is a signalling pathway that originates from a DNA lesion and arrests cell proliferation3. So far, DICER and DROSHA RNA products have not been reported to control DDR activation. Here we show, in human, mouse and zebrafish, that DICER and DROSHA, but not downstream elements of the RNAi pathway, are necessary to activate the DDR upon exogenous DNA damage and oncogene-induced genotoxic stress, as studied by DDR foci formation and by checkpoint assays. DDR foci are sensitive to RNase A treatment, and DICER- and DROSHA-dependent RNA products are required to restore DDR foci in RNase-A-treated cells. Through RNA deep sequencing and the study of DDR activation at a single inducible DNA double-strand break, we demonstrate that DDR foci formation requires site-specific DICER- and DROSHA-dependent small RNAs, named DDRNAs, which act in a MRE11–RAD50–NBS1-complex-dependent manner (MRE11 also known as MRE11A; NBS1 also known as NBN). DDRNAs, either chemically synthesized or in vitro generated by DICER cleavage, are sufficient to restore the DDR in RNase-A-treated cells, also in the absence of other cellular RNAs. Our results describe an unanticipated direct role of a novel class of ncRNAs in the control of DDR activation at sites of DNA damage.

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 FANTOM4 study identified transcriptional start sites active during proliferation arrest and differentiation of the human monocytic cell line THP-1. Systematic knockdown of 52 transcription factors provide support for their model in which a complex transcriptional network regulates the differentiation process. Using deep sequencing (deepCAGE), the FANTOM4 study measured the genome-wide dynamics of transcription-start-site usage in the human monocytic cell line THP-1 throughout a time course of growth arrest and differentiation. Modeling the expression dynamics in terms of predicted cis-regulatory sites, we identified the key transcription regulators, their time-dependent activities and target genes. Systematic siRNA knockdown of 52 transcription factors confirmed the roles of individual factors in the regulatory network. Our results indicate that cellular states are constrained by complex networks involving both positive and negative regulatory interactions among substantial numbers of transcription factors and that no single transcription factor is both necessary and sufficient to drive the differentiation process.

DBTBS, first released in 1999, is a reference database on transcriptional regulation in Bacillus subtilis, summarizing the experimentally characterized transcription factors, their recognition sequences and the genes they regulate.Since the previous release, the original content was extended by the addition of the data contained in 569 new publications, the total of which now reaches 947.The number of B. subtilis promoters annotated in the database was more than doubled to 1475.In addition, 463 experimentally validated B. subtilis operons and their terminators have been included.Given the increase in the number of fully sequenced bacterial genomes, we decided to extend the usability of DBTBS in comparative regulatory genomics.We therefore created a new section on the conservation of the upstream regulatory sequences between homologous genes in 40 Gram-positive bacterial species, as well as on the presence of overrepresented hexameric motifs that may have regulatory functions.