ABSTRACT The sequence content of the 3′ UTRs of many mRNA transcripts is regulated through alternative polyadenylation (APA). The study of this process using RNAseq data, though, has been historically challenging. To combat this problem, we developed LABRAT, an APA quantification method. LABRAT takes advantage of newly developed transcriptome quantification techniques to accurately determine relative APA site usage and how it varies across conditions. Using LABRAT, we found consistent relationships between gene-distal APA and subcellular RNA localization in multiple cell types. We also observed connections between transcription speed and APA site choice as well as tumor-specific transcriptome-wide shifts in APA in hundreds of patient-derived tumor samples that were associated with patient prognosis. We investigated the effects of APA on transcript expression and found a weak overall relationship, although many individual genes showed strong correlations between APA and expression. We interrogated the roles of 191 RNA-binding proteins in the regulation of APA, finding that dozens promote broad, directional shifts in relative APA isoform abundance both in vitro and in patient-derived samples. Finally, we find that APA site shifts in the two classes of APA, tandem UTRs and alternative last exons, are strongly correlated across many contexts, suggesting that they are coregulated.

ABSTRACT Thousands of RNA species display nonuniform distribution within cells. However, quantification of the spatial patterns adopted by individual RNAs remains difficult, in part by a lack of quantitative tools for subcellular transcriptome analysis. In this study, we describe an RNA proximity labeling method that facilitates the quantification of subcellular RNA populations with high spatial specificity. This method, termed Halo-seq, pairs a light-activatable, radical generating small molecule with highly efficient Click chemistry to efficiently label and purify spatially defined RNA samples. We compared Halo-seq with previously reported similar methods and found that Halo-seq displayed a higher efficiency of RNA labeling, indicating that it is well suited to the investigation of small, precisely localized RNA populations. We then used Halo-seq to quantify nuclear, nucleolar, and cytoplasmic transcriptomes, characterize their dynamic nature following perturbation, and identify RNA sequence features associated with their composition. Specifically, we found that RNAs containing AU-rich elements are relatively enriched in the nucleus. This enrichment becomes stronger upon treatment with the nuclear export inhibitor leptomycin B, both expanding the role of HuR in RNA export and generating a comprehensive set of transcripts whose export from the nucleus depends on HuR.

Abstract The BCL-2 inhibitor venetoclax has recently emerged as an important component of acute myeloid leukemia (AML) therapy. Notably, use of this agent has revealed a previously unrecognized form of pathogenesis characterized by monocytic disease progression. We demonstrate that this form of disease arises from a fundamentally different type of leukemia stem cell (LSC), which we designate as monocytic LSC (m-LSC), that is developmentally and clinically distinct from the more well-described primitive LSC (p-LSC). The m-LSC is distinguished by a unique immunophenotype (CD34-, CD4+, CD11b-, CD14-, CD36-), unique transcriptional state, reliance on purine/pyrimidine metabolism, and selective sensitivity to cladribine. Critically, in some instances m-LSC and p-LSC subtypes can co-reside in the same AML patient and simultaneously contribute to overall tumor complexity. Thus, our findings demonstrate that LSC heterogeneity has direct clinical significance and highlights the need to distinguish and target m-LSCs as a means to improve clinical outcomes with venetoclax-based regimens. Statement of Significance These studies identify and characterize a new type of human acute myeloid leukemia stem cell (LSC) that is responsible for monocytic disease progression in acute myeloid leukemia (AML) patients treated with venetoclax-based regimens. Our studies describe the phenotype, molecular properties, and drug sensitivities of this unique LSC subclass.

ABSTRACT Background Developmental disabilities have diverse genetic causes that must be identified to facilitate precise diagnoses. We describe genomic data from 371 affected individuals, 309 of which were sequenced as proband-parent trios. Methods Whole exome sequences (WES) were generated for 365 individuals (127 affected) and whole genome sequences (WGS) were generated for 612 individuals (244 affected). Results Pathogenic or likely pathogenic variants were found in 100 individuals (27%), with variants of uncertain significance in an additional 42 (11.3%). We found that a family history of neurological disease, especially the presence of an affected 1 st degree relative, reduces the pathogenic/likely pathogenic variant identification rate, reflecting both the disease relevance and ease of interpretation of de novo variants. We also found that improvements to genetic knowledge facilitated interpretation changes in many cases. Through systematic reanalyses we have thus far reclassified 15 variants, with 11.3% of families who initially were found to harbor a VUS, and 4.7% of families with a negative result, eventually found to harbor a pathogenic or likely pathogenic variant. To further such progress, the data described here are being shared through ClinVar, GeneMatcher, and dbGAP. Conclusion Our data strongly support the value of large-scale sequencing, especially WGS within proband-parent trios, as both an effective first-choice diagnostic tool and means to advance clinical and research progress related to pediatric neurological disease.

The treatment of blast phase chronic myeloid leukemia (bpCML) remains a challenge due at least in part to drug resistance of leukemia stem cells (LSCs). Recent clinical evidence suggests that the BCL-2 inhibitor venetoclax in combination with ABL-targeting tyrosine kinase inhibitors (TKIs) can eradicate bpCML LSCs. In this report, we employed preclinical models of bpCML to investigate the efficacy and underlying mechanism of LSC-targeting with venetoclax/TKI combinations. Transcriptional analysis of LSCs exposed to venetoclax and dasatinib revealed upregulation of genes involved in lysosomal biology, in particular lysosomal acid lipase A (LIPA), a regulator of free fatty acids. Metabolomic analysis confirmed increased levels of free fatty acids in response to venetoclax/dasatinib. Pre-treatment of leukemia cells with bafilomycin, a specific lysosome inhibitor, or genetic perturbation of LIPA, resulted in increased sensitivity of leukemia cells toward venetoclax/dasatinib, implicating LIPA in treatment resistance. Importantly, venetoclax/dasatinib treatment does not affect normal stem cell function, suggestive of a leukemia-specific response. These results demonstrate that venetoclax/dasatinib is an LSCselective regimen in bpCML and that disrupting LIPA and fatty acid transport enhances venetoclax/dasatinib response in targeting LSCs, providing a rationale for exploring lysosomal disruption as an adjunct therapeutic strategy to prolong disease remission.

Abstract Acute myeloid leukemia stem cells (LSCs) are uniquely reliant on oxidative phosphorylation (OXPHOS) for survival. Moreover, maintenance of OXPHOS is dependent on BCL-2, creating a therapeutic opportunity to target LSCs using the BCL-2 inhibitor venetoclax. Although venetoclax-based regimens have shown promising clinical activity, the emergence of drug resistance is prevalent. Thus, in the present study, we investigated how mitochondrial properties may influence venetoclax responsiveness. Our data show that utilization of mitochondrial calcium is fundamentally different between drug-responsive and nonresponsive LSCs. By comparison, venetoclax-resistant LSCs demonstrate an active metabolic (i.e., OXPHOS) status with relatively high levels of calcium. Consequently, we tested genetic and pharmacological approaches to target the mitochondrial calcium uniporter. We demonstrate that inhibition of calcium uptake reduces OXPHOS and leads to eradication of venetoclax-resistant LSCs. These findings demonstrate a central role for calcium signaling in LSCs and provide an avenue for clinical management of venetoclax resistance. Significance: We identify increased utilization of mitochondrial calcium as a distinct metabolic requirement of venetoclax-resistant LSCs and demonstrate the potential of targeting mitochondrial calcium uptake as a therapeutic strategy.

Pathogenic loss-of-function SCN1A variants cause a spectrum of seizure disorders. We previously identified variants in individuals with SCN1A -related epilepsy that fall in or near a poison exon (PE) in SCN1A intron 20 (20N). We hypothesized these variants lead to increased PE inclusion, which introduces a premature stop codon, and, therefore, reduced abundance of the full-length SCN1A transcript and Na v 1.1 protein. We used a splicing reporter assay to interrogate PE inclusion in HEK293T cells. In addition, we used patient-specific induced pluripotent stem cells (iPSCs) differentiated into neurons to quantify 20N inclusion by long and short-read sequencing and Na v 1.1 abundance by western blot. We performed RNA-antisense purification with mass spectrometry to identify RNA-binding proteins (RBPs) that could account for the aberrant PE splicing. We demonstrate that variants in/near 20N lead to increased 20N inclusion by long-read sequencing or splicing reporter assay and decreased Na v 1.1 abundance. We also identified 28 RBPs that differentially interact with variant constructs compared to wild-type, including SRSF1 and HNRNPL. We propose a model whereby 20N variants disrupt RBP binding to splicing enhancers (SRSF1) and suppressors (HNRNPL), to favor PE inclusion. Overall, we demonstrate that SCN1A 20N variants cause haploinsufficiency and SCN1A -related epilepsies. This work provides insights into the complex control of RBP-mediated PE alternative splicing, with broader implications for PE discovery and identification of pathogenic PE variants in other genetic conditions.

We previously reported that acute myeloid leukemia stem cells (LSCs) are uniquely reliant on oxidative phosphorylation (OXPHOS) for survival. Moreover, maintenance of OXPHOS is dependent on BCL2, creating a therapeutic opportunity to target LSCs using the BCL2 inhibitor drug venetoclax. While venetoclax-based regimens have indeed shown promising clinical activity, the emergence of drug resistance is prevalent. Thus, in the present study, we investigated how mitochondrial properties may influence mechanisms that dictate venetoclax responsiveness. Our data show that utilization of mitochondrial calcium is fundamentally different between drug responsive and non-responsive LSCs. By comparison, venetoclax-resistant LSCs demonstrate a more active metabolic (i.e., OXPHOS) status with relatively high steady-state levels of calcium. Consequently, we tested genetic and pharmacological approaches to target the mitochondrial calcium uniporter, MCU. We demonstrate that inhibition of calcium uptake sharply reduces OXPHOS and leads to eradication of venetoclax-resistant LSCs. These findings demonstrate a central role for calcium signaling in the biology of LSCs and provide a therapeutic avenue for clinical management of venetoclax resistance.

Abstract Understanding the genetic underpinnings and clonal structure of malignancies at single-cell resolution is critical to accurately predicting drug response and understanding mechanisms of drug resistance and disease evolution in heterogeneous populations of cells. Here, we introduce an accessible, multiplexable, targeted mutation enrichment approach and end-to-end analysis pipeline called MuVEH (Multiplexed Variant Enrichment by Hybridization) that increases the resolution of variant detection in scRNA-seq analysis. When applied specifically to the mitochondrial chromosome (“mitoMuVEH”), this technique can also be used to reconstruct and trace clonal relationships between individual cells. We applied both approaches to two pairs of primary bone marrow specimens from acute myelogenous leukemia (AML) patients collected at diagnosis and after relapse following Venetoclax+Azacitidine (Ven/Aza) therapy. Used together, MuVEH and mitoMuVEH reveal clonal evolution and changing mutational burden in response to treatment at single-cell resolution in these patients. Ultimately, these approaches have the potential to extract additional biological insights from precious patient samples and provide insight into the contributions clonality and genotype have during disease progression.