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.

Abstract The human genome is pervasively transcribed and produces a wide variety of long non-coding RNAs (lncRNAs), constituting the majority of transcripts across human cell types. Studying lncRNAs is challenging due to their low expression level, cell type-specific occurrence, poor sequence conservation between orthologs, and lack of information about RNA domains. LncRNAs direct the regulatory factors in the locations that are in cis to their transcription sites. We designed a model to predict if an lncRNA acts in cis based on its features and trained it using RNA-chromatin interaction data. The trained model is cell type-independent and does not require RNA-chromatin data. Combining RNA-chromatin and Hi-C data, we showed that lncRNA-chromatin binding sites are determined by chromosome conformation. For each lncRNA, the spatially proximal genes were identified as their potential targets by combining Hi-C and Cap Analysis Gene Expression (CAGE) data in 18 human cell types. RNA-protein and RNA-chromatin interaction data suggested that lncRNAs act as scaffolds to recruit regulatory proteins to target promoters and enhancers. We provide the data through an interactive visualization web portal at https://fantom.gsc.riken.jp/zenbu/reports/#F6_3D_lncRNA .

Summary The 3’ untranslated region (3’UTR) plays a crucial role in determining mRNA stability, localisation, translation and degradation. Cap analysis gene expression (CAGE), a method for the detection of capped 5’ ends of mRNAs, additionally reveals a large number of apparently 5’ capped RNAs derived from 3’UTRs. Here we provide the first direct evidence that these 3’UTR-derived RNAs are indeed capped and often more abundant than the corresponding full-length mRNAs. By using a combination of AGO2 enhanced individual nucleotide resolution UV crosslinking and immunoprecipitation (eiCLIP) and CAGE following siRNA knockdowns, we find that these 3’UTR-derived RNAs likely originate from AGO2-mediated cleavage, and most often occur at locations with potential to form RNA-G-quadruplexes and are enriched by RNA-binding protein UPF1. High-resolution imaging and long-read sequencing analysis validates several 3’UTR-derived RNAs, demonstrates their abundance and shows that they tend not to co-localise with the parental mRNAs. We also find that production of 3’UTR-derived RNA could explain the previously reported role of a 3’UTR G-quadruplex in regulating the production of APP protein. Taken together, we provide new insights into the origin and abundance of 3’UTR-derived RNAs, show the utility of CAGE-seq for their quantitative detection, and provide a rich dataset for exploring new biology of a poorly understood new class of RNAs.

Abstract The FANTOM web resource (https://fantom.gsc.riken.jp/) has been a unique resource for studying mammalian genomes, which is built on the research activities conducted in the international collaborative project FANTOM (Functional ANnoTation Of the Mammalian genome). In recent updates, we expanded annotations for long non-coding RNAs (lncRNAs) and transcribed cis-regulatory elements (CREs). The former was derived from the large-scale lncRNA perturbations in induced pluripotent stem cells (iPSCs) and integrative analysis of Hi-C data conducted in the sixth iteration of the project (FANTOM6). The resulting annotations of lncRNAs, according to the impact on cellular and molecular phenotypes and the potential RNA-chromatin interactions, are accessible via the interactive ZENBU-Reports framework. The latter involves a new platform, fanta.bio (https://fanta.bio/), which collects transcribed CREs identified via use of an extended dataset of CAGE profiles. The CREs, with their annotations including genetic and epigenetic information, are accessible via a dedicated interface as well as the UCSC Genome Browser Database. These updates offer enhanced opportunities to investigate the functions of non-coding regions within mammalian genomes.

Summary Within the scope of FANTOM6 consortium, we perform a large-scale knockdown of 200 long non-coding RNAs (lncRNAs) in human induced pluripotent stem (iPS) cells, and systematically characterize their roles in self-renewal and pluripotency. We find 36 lncRNAs (18%) exhibiting cell growth inhibition From the knockdown of 123 lncRNAs with transcriptome profiling, 36 lncRNAs (29.3%) show molecular phenotypes. Integrating the molecular phenotypes with chromatin-interaction assays further reveals cis - and trans -interacting partners as potential primary targets. Additionally, cell type enrichment analysis identifies lncRNAs associated with pluripotency while the knockdown of LINC02595 , CATG00000090305.1 and RP11-148B6.2 modulates colony formation of iPS cells. We compare our results with previously published fibroblasts phenotyping data and find that 2.9% of the lncRNAs exhibit consistent cell growth phenotype, whereas we observe 58.3% agreement in molecular phenotypes. This highlights molecular phenotyping is more comprehensive in revealing affected pathways.

Abstract The 3′ untranslated region (3′UTR) plays a crucial role in determining mRNA stability, localisation, translation and degradation. Cap analysis of gene expression (CAGE), a method for the detection of capped 5′ ends of mRNAs, additionally reveals a large number of apparently 5′ capped RNAs derived from locations within the body of the transcript, including 3′UTRs. Here, we provide direct evidence that these 3′UTR-derived RNAs are indeed capped and widespread in mammalian cells. By using a combination of AGO2 enhanced individual nucleotide resolution UV crosslinking and immunoprecipitation (eiCLIP) and CAGE following siRNA treatment, we find that these 3′UTR-derived RNAs likely originate from AGO2-binding sites, and most often occur at locations with G-rich motifs bound by the RNA-binding protein UPF1. High-resolution imaging and long-read sequencing analysis validate several 3′UTR-derived RNAs, showcase their variable abundance and show that they may not co-localise with the parental mRNAs. Taken together, we provide new insights into the origin and prevalence of 3′UTR-derived RNAs, show the utility of CAGE-seq for their genome-wide detection and provide a rich dataset for exploring new biology of a poorly understood new class of RNAs. Graphical Abstract Schematic representation of the proposed model where 3′UTR-derived RNAs originate from G-rich regions enriched in AGO2 and UPF1 binding sites.

Long non-coding RNAs (lncRNAs) constitute the majority of transcripts in mammalian genomes and yet, their functions remain largely unknown. We systematically suppressed 285 lncRNAs in human dermal fibroblasts and quantified cellular growth, morphological changes, and transcriptomic responses using Capped Analysis of Gene Expression (CAGE). The resulting transcriptomic profiles recapitulated the observed cellular phenotypes, yielding specific roles for over 40% of analyzed lncRNAs in regulating distinct biological pathways, transcriptional machinery, alternative promoter activity and architecture usage. Overall, combining cellular and molecular profiling provided a powerful approach to unravel the distinct functions of lncRNAs, which we highlight with specific functional roles for ZNF213-AS1 and lnc-KHDC3L-2 .

Long non-coding RNAs (lncRNAs) have emerged as key coordinators of biological and cellular processes. Characterizing lncRNA expression across cells and tissues is key to understanding their role in determining phenotypes including human diseases. We present here FC-R2, a comprehensive expression atlas across a broadly-defined human transcriptome, inclusive of over 109,000 coding and non-coding genes, as described in the FANTOM CAGE-Associated Transcriptome (FANTOM-CAT) study. This atlas greatly extends the gene annotation used in the original recount2 resource. We demonstrate the utility of the FC-R2 atlas by reproducing key findings from published large studies and by generating new results across normal and diseased human samples. In particular, we (a) identify tissue specific transcription profiles for distinct classes of coding and non-coding genes, (b) perform differential expression analyses across thirteen cancer types, providing new insights linking promoter and enhancer lncRNAs expression to tumor pathogenesis, and (c) confirm the prognostic value of several enhancers in cancer. Comprised of over 70,000 samples, the FC-R2 atlas will empower other researchers to investigate functions and biological roles of both known coding genes and novel lncRNAs. Most importantly, access to the FC-R2 atlas is available from , the recount Bioconductor package, and .