SLAM seq detects s4U incorporation into RNA and, combined with 3′-end RNA-seq, provides insight into RNA turnover. Gene expression profiling by high-throughput sequencing reveals qualitative and quantitative changes in RNA species at steady state but obscures the intracellular dynamics of RNA transcription, processing and decay. We developed thiol(SH)-linked alkylation for the metabolic sequencing of RNA (SLAM seq), an orthogonal-chemistry-based RNA sequencing technology that detects 4-thiouridine (s4U) incorporation in RNA species at single-nucleotide resolution. In combination with well-established metabolic RNA labeling protocols and coupled to standard, low-input, high-throughput RNA sequencing methods, SLAM seq enabled rapid access to RNA-polymerase-II-dependent gene expression dynamics in the context of total RNA. We validated the method in mouse embryonic stem cells by showing that the RNA-polymerase-II-dependent transcriptional output scaled with Oct4/Sox2/Nanog-defined enhancer activity, and we provide quantitative and mechanistic evidence for transcript-specific RNA turnover mediated by post-transcriptional gene regulatory pathways initiated by microRNAs and N6-methyladenosine. SLAM seq facilitates the dissection of fundamental mechanisms that control gene expression in an accessible, cost-effective and scalable manner.

BET bromodomain inhibitors are being explored as potential therapeutics in cancer; here, AML cells are shown to evade sensitivity to BET inhibition through rewiring the transcriptional regulation of BRD4 target genes such as MYC in a process that is facilitated by suppression of PRC2 and WNT signalling activation. BET inhibitors that target bromodomain chromatin readers such as BRD4 are being explored as potential therapeutics in cancer. Two papers published in this issue of Nature identify mechanisms that may be involved in resistance to BET inhibition in models of leukaemia. In an MLL–AF9 model, Mark Dawson and colleagues find that resistance emerges from leukaemic stem cells and is, in part, a consequence of increased Wnt signalling. Johannes Zuber and colleagues find that suppression of the PRC2 complex renders acute myeloid leukaemia cells resistant to BET inhibition by rewiring the transcriptional regulation of BRD4 target genes such as MYC. Wnt signalling is also implicated as a key driver of resistance. Following the discovery of BRD4 as a non-oncogene addiction target in acute myeloid leukaemia (AML)1,2, bromodomain and extra terminal protein (BET) inhibitors are being explored as a promising therapeutic avenue in numerous cancers3,4,5. While clinical trials have reported single-agent activity in advanced haematological malignancies6, mechanisms determining the response to BET inhibition remain poorly understood. To identify factors involved in primary and acquired BET resistance in leukaemia, here we perform a chromatin-focused RNAi screen in a sensitive MLL–AF9;NrasG12D-driven AML mouse model, and investigate dynamic transcriptional profiles in sensitive and resistant mouse and human leukaemias. Our screen shows that suppression of the PRC2 complex, contrary to effects in other contexts, promotes BET inhibitor resistance in AML. PRC2 suppression does not directly affect the regulation of Brd4-dependent transcripts, but facilitates the remodelling of regulatory pathways that restore the transcription of key targets such as Myc. Similarly, while BET inhibition triggers acute MYC repression in human leukaemias regardless of their sensitivity, resistant leukaemias are uniformly characterized by their ability to rapidly restore MYC transcription. This process involves the activation and recruitment of WNT signalling components, which compensate for the loss of BRD4 and drive resistance in various cancer models. Dynamic chromatin immunoprecipitation sequencing and self-transcribing active regulatory region sequencing of enhancer profiles reveal that BET-resistant states are characterized by remodelled regulatory landscapes, involving the activation of a focal MYC enhancer that recruits WNT machinery in response to BET inhibition. Together, our results identify and validate WNT signalling as a driver and candidate biomarker of primary and acquired BET resistance in leukaemia, and implicate the rewiring of transcriptional programs as an important mechanism promoting resistance to BET inhibitors and, potentially, other chromatin-targeted therapies.

Profiling transcription—a SLAM dunk Identification of the direct target genes of transcription factors could shed light on how healthy cells become malignant. Muhar et al. applied a modified version of a transcript-mapping method called SLAM-seq to identify the target genes of two transcriptional regulators of major interest in cancer research (see the Perspective by Sabò and Amati). The MYC oncoprotein selectively activates transcription of just a few genes, primarily those involved in basic cell metabolism. In contrast, BRD4, a bromodomain-containing protein that is being targeted for cancer therapy, activates transcription of many genes. Science , this issue p. 800 ; see also p. 713

Myriapods (e.g., centipedes and millipedes) display a simple homonomous body plan relative to other arthropods. All members of the class are terrestrial, but they attained terrestriality independently of insects. Myriapoda is the only arthropod class not represented by a sequenced genome. We present an analysis of the genome of the centipede Strigamia maritima. It retains a compact genome that has undergone less gene loss and shuffling than previously sequenced arthropods, and many orthologues of genes conserved from the bilaterian ancestor that have been lost in insects. Our analysis locates many genes in conserved macro-synteny contexts, and many small-scale examples of gene clustering. We describe several examples where S. maritima shows different solutions from insects to similar problems. The insect olfactory receptor gene family is absent from S. maritima, and olfaction in air is likely effected by expansion of other receptor gene families. For some genes S. maritima has evolved paralogues to generate coding sequence diversity, where insects use alternate splicing. This is most striking for the Dscam gene, which in Drosophila generates more than 100,000 alternate splice forms, but in S. maritima is encoded by over 100 paralogues. We see an intriguing linkage between the absence of any known photosensory proteins in a blind organism and the additional absence of canonical circadian clock genes. The phylogenetic position of myriapods allows us to identify where in arthropod phylogeny several particular molecular mechanisms and traits emerged. For example, we conclude that juvenile hormone signalling evolved with the emergence of the exoskeleton in the arthropods and that RR-1 containing cuticle proteins evolved in the lineage leading to Mandibulata. We also identify when various gene expansions and losses occurred. The genome of S. maritima offers us a unique glimpse into the ancestral arthropod genome, while also displaying many adaptations to its specific life history.

Abstract Somatic hypermutation (SHM) of immunoglobulin variable (V) regions modulates antibody-antigen affinity is initiated by activation-induced cytidine deaminase (AID) on single-stranded DNA (ssDNA). Transcription is essential for SHM and AID target genes harbor activating chromatin marks and RNA polymerase II (Pol II) stalling, leading to the model that these features favor higher rates of mutagenesis. However, whether such relationships exist within V regions is undetermined. Here, we directly compared SHM and nascent transcription across four V regions and 275 non-immunoglobulin SHM targets at single-nucleotide resolution using precision run-on sequencing (PRO-seq). Although locales of Pol II enrichment and zones of Pol II stalling were detected within V regions, their correlation with SHM was not statistically significant. Moreover, SHM was robust against major reductions of activating epigenetic marks and transcription. This data suggests that SHM patterns and spectra are established independently of specific local nascent transcriptional features.

ABSTRACT The mammalian DNA replication timing (RT) program is crucial for the proper functioning and integrity of the genome. The best-known mechanism for controlling RT is the suppression of late origins of replication in heterochromatin by RIF1. Here, we report that in antigen-activated B lymphocytes, RIF1 binds predominantly to early-replicating active chromatin, regulates early origin firing and promotes early replication. RIF1 has a minor role in gene expression and genome organization in B cells. Furthermore, we find that RIF1 functions in a complementary and non-epistatic manner with minichromosome maintenance (MCM) proteins to establish early RT signatures genome-wide and, specifically, to ensure the early replication of highly transcribed genes. These findings reveal new layers of regulation within the B cell RT program, driven by the coordinated activity of RIF1 and MCM proteins.

Abstract Nucleotide conversion RNA sequencing techniques interrogate chemical RNA modifications in cellular transcripts, resulting in mismatch-containing reads. Biases in mapping the resulting reads to reference genomes remain poorly understood. We present splice_sim, a splice-aware RNA-seq simulation and evaluation pipeline that introduces user-defined nucleotide conversions at set frequencies, creates mixture models of converted and unconverted reads, and calculates mapping accuracies per genomic annotation. By simulating nucleotide conversion RNA-seq datasets under realistic experimental conditions, including metabolic RNA labeling and RNA bisulfite sequencing, we measure mapping accuracies of state-of-the-art spliced-read mappers for mouse and human transcripts and derive strategies to prevent biases in the data interpretation.

Gene expression profiling by high-throughput sequencing reveals qualitative and quantitative changes in RNA species at steady-state but obscures the intracellular dynamics of RNA transcription, processing and decay. We developed thiol(SH)-linked alkylation for the metabolic sequencing of RNA (SLAM-seq), an orthogonal chemistry- based epitranscriptomics-sequencing technology that uncovers 4-thiouridine (s4U)- incorporation in RNA species at single-nucleotide resolution. In combination with well- established metabolic RNA labeling protocols and coupled to standard, low-input, high- throughput RNA sequencing methods, SLAM-seq enables rapid access to RNA polymerase II-dependent gene expression dynamics in the context of total RNA. When applied to mouse embryonic stem cells, SLAM-seq provides global and transcript- specific insights into pluripotency-associated gene expression. We validated the method by showing that the RNA-polymerase II-dependent transcriptional output scales with Oct4/Sox2/Nanog-defined enhancer activity; and we provide quantitative and mechanistic evidence for transcript-specific RNA turnover mediated by post- transcriptional gene regulatory pathways initiated by microRNAs and N6-methyladenosine. SLAM-seq facilitates the dissection of fundamental mechanisms that control gene expression in an accessible, cost-effective, and scalable manner.