The contribution of transcription factors (TFs) and gene regulatory programs in the immune response to COVID-19 and their relationship to disease outcome is not fully understood. Analysis of genome-wide changes in transcription at both promoter-proximal and distal cis-regulatory DNA elements, collectively termed the 'active cistrome,' offers an unbiased assessment of TF activity identifying key pathways regulated in homeostasis or disease. Here, we profiled the active cistrome from peripheral leukocytes of critically ill COVID-19 patients to identify major regulatory programs and their dynamics during SARS-CoV-2 associated acute respiratory distress syndrome (ARDS). We identified TF motifs that track the severity of COVID- 19 lung injury, disease resolution, and outcome. We used unbiased clustering to reveal distinct cistrome subsets delineating the regulation of pathways, cell types, and the combinatorial activity of TFs. We found critical roles for regulatory networks driven by stimulus and lineage determining TFs, showing that STAT and E2F/MYB regulatory programs targeting myeloid cells are activated in patients with poor disease outcomes and associated with single nucleotide genetic variants implicated in COVID-19 susceptibility. Integration with single-cell RNA-seq found that STAT and E2F/MYB activation converged in specific neutrophils subset found in patients with severe disease. Collectively we demonstrate that cistrome analysis facilitates insight into disease mechanisms and provides an unbiased approach to evaluate global changes in transcription factor activity and stratify patient disease severity.

Patterns of transcriptional activity are encoded in our genome through regulatory elements such as promoters or enhancers that, paradoxically, contain similar assortments of sequence-specific transcription factor (TF) binding sites

Regulating transcription allows organisms to respond to their environment, both within a single generation (plasticity) and across generations (adaptation). We examined transcriptional differences in gill tissues of fishes in the Poecilia mexicana species complex (family Poeciliidae), which have colonized toxic springs rich in hydrogen sulfide (H 2 S) in southern Mexico. There are gene expression differences between sulfidic and non-sulfidic populations, yet regulatory mechanisms mediating this gene expression variation remain poorly studied. We combined capped-small RNA sequencing (csRNA-seq), which captures actively transcribed (i.e. nascent) transcripts, and messenger RNA sequencing (mRNA-seq) to examine how variation in transcription, enhancer activity, and associated transcription factor binding sites may facilitate adaptation to extreme environments. csRNA-seq revealed thousands of differentially initiated transcripts between sulfidic and non-sulfidic populations, many of which are involved in H 2 S detoxification and response. Analyses of transcription factor binding sites in promoter and putative enhancer csRNA-seq peaks identified a suite of transcription factors likely involved in regulating H 2 S-specific shifts in gene expression, including several key transcription factors known to respond to hypoxia. Our findings uncover a complex interplay of regulatory processes that reflect the divergence of extremophile populations of P. mexicana from their non-sulfidic ancestors and suggest shared responses among evolutionarily independent lineages.

SUMMARY Accumulation of misfolded proteins is a known source of cellular stress and can be detrimental to cellular health. While protein aggregation is a known hallmark of many diseases, the mechanisms by which protein aggregates cause toxicity and the molecular machines that prevent this toxicity are not completely understood. Here, we show that the accumulated misfolded membrane proteins form endoplasmic reticulum (ER) localized aggregates, impacting ubiquitin and proteasome homeostasis. Additionally, we have identified a chaperone ability of the yeast rhomboid pseudoprotease Dfm1 to influence solubilization of misfolded membrane proteins and prevent toxicity from misfolded membrane proteins. We establish that this function of Dfm1 does not require recruitment of the ATPase Cdc48 and it is distinct from Dfm1’s previously identified function in dislocating misfolded membrane proteins to the cytosol for degradation.

ABSTRACT Chinese hamster ovary (CHO) cells, with their human-compatible glycosylation and high protein titers, are the most widely used cells for producing biopharmaceuticals. Engineering gene expression in CHO is key to improving drug quality and affordability. However, engineering gene expression or activating silent genes requires accurate annotation of the underlying regulatory elements and transcription start sites (TSSs). Unfortunately, most TSSs in the Chinese hamster genome were computationally predicted and are frequently inaccurate. Here, we revised TSS annotations for 15,308 Chinese hamster genes and 4,478 non-coding RNAs based on experimental data from CHO-K1 cells and 10 hamster tissues. The experimental realignment and discovery of TSSs now expose previously hidden motifs, such as the TATA box. We further demonstrate, by targeting the glycosyltransferase gene Mgat3 , how accurate annotations readily facilitate activating silent genes by CRISPRa to obtain more human-like glycosylation. Together, we envision our annotation and data will provide a rich resource for the CHO community, improve genome engineering efforts and aid comparative and evolutionary studies.

Abstract Coccidioidomycosis (Valley Fever) is an emerging endemic fungal infection with a rising incidence and an expanding geographic range. It is caused by Coccidiodes , which are thermally dimorphic fungi that grow as mycelia in soil but transition in the lung to form pathogenic spherules. The regulatory mechanisms underlying this transition are not understood. Exploiting capped small (cs)RNA-seq, which identifies actively initiated stable and unstable transcripts and thereby detects acute changes in gene regulation with remarkable sensitivity, here we report the changes in architectural organization and key sequence features underlying phase transition of this highly pathogenic fungus. Spherule transition was accompanied by large-scale transcriptional reprogramming, functional changes in transcript isoforms, and a massive increase in promoter-distal transcription of ncRNAs. Analysis of spherule-activated regulatory elements revealed a motif predicted to recruit a WOPR family transcription factor, which are known regulators of virulence in other fungi. We identify CIMG_02671 as a C. immitis WOPR homologue and show that it activates transcription in a WOPR motif-dependent manner, suggesting it is an important regulator of pathogenic phase transition. Collectively, this also highlights csRNA-seq as a powerful means to identify transcriptional mechanisms that control pathogenesis.

Abstract Substance abuse and addiction represent a significant public health problem that impacts multiple dimensions of society, including healthcare, the economy, and the workforce. In 2021, over 100,000 drug overdose deaths were reported in the US, with an alarming increase in fatalities related to opioids and psychostimulants. Understanding the fundamental gene regulatory mechanisms underlying addiction and related behaviors could facilitate more effective treatments. To explore how repeated drug exposure alters gene regulatory networks in the brain, we combined capped small (cs)RNA-seq, which accurately captures nascent-like initiating transcripts from total RNA, with Hi-C and single nuclei (sn)ATAC-seq. We profiled initiating transcripts in two addiction-related brain regions, the prefrontal cortex (PFC) and the nucleus accumbens (NAc), from rats that were never exposed to drugs or were subjected to prolonged abstinence after oxycodone or cocaine intravenous self-administration (IVSA). Interrogating over 100,000 active transcription start regions (TSRs) revealed that most TSRs had hallmarks of bonafide enhancers and highlighted the KLF/SP1, RFX, and AP1 transcription factors families as central to establishing brain-specific gene regulatory programs. Analysis of rats with addiction-like behaviors versus controls identified addiction-associated repression of transcription at regulatory enhancers recognized by nuclear receptor subfamily 3 group C (NR3C) factors, which include glucocorticoid receptors. Cell-type deconvolution analysis using snATAC-seq uncovered a potential role of glial cells in driving the gene regulatory programs associated with addiction-related phenotypes. These findings highlight the power of advanced transcriptomics methods to provide insight into how addiction perturbs gene regulatory programs in the brain.

Mechanisms by which members of the AP-1 family of transcription factors play both redundant and non-redundant biological roles despite recognizing the same DNA sequence remain poorly understood. To address this question, we investigated the molecular functions and genome-wide DNA binding patterns of AP-1 family members in macrophages. ChIP-sequencing showed overlapping and distinct binding profiles for each factor that were remodeled following TLR4 ligation. Development of a machine learning approach that jointly weighs hundreds of DNA recognition elements yielded dozens of motifs predicted to drive factor-specific binding profiles. Machine learning-based predictions were confirmed by analysis of the effects of mutations in genetically diverse mice and by loss of function experiments. These findings provide evidence that non-redundant genomic locations of different AP-1 family members in macrophages largely result from collaborative interactions with diverse, locus-specific ensembles of transcription factors and suggest a general mechanism for encoding functional specificities of their common recognition motif.

ABSTRACT Next-Generation Sequencing (NGS) catalyzed breakthroughs across various scientific domains. Illumina’s sequencing by synthesis method has long been essential for NGS but emerging technologies like Element Biosciences’ sequencing by avidity (AVITI) represent a novel approach. It has been reported that AVITI offers improved signal-to-noise ratios and cost reductions. However, the method relies on rolling circle amplification which can be impacted by polymer size, raising questions about its efficacy sequencing small RNAs (sRNA) molecules including microRNAs (miRNAs), piwi-interacting RNAs (piRNAs), and others that are crucial regulators of gene expression and involved in various biological processes. In addition, capturing capped small RNAs (csRNA-seq) has emerged as a powerful method to map active or “nascent” RNA polymerase II transcription initiation in tissues and clinical samples. Here, we report a new protocol for seamlessly sequencing short DNA fragments on the AVITI and demonstrate that AVITI and Illumina sequencing technologies equivalently capture human, cattle ( Bos taurus ) and the bison ( Bison bison ) sRNA or csRNA sequencing libraries, augmenting the confidence in both approaches. Additionally, analysis of generated nascent transcription start sites (TSSs) data for cattle and bison revealed inaccuracies in their current genome annotations and highlighted the possibility and need to translate small RNA sequencing methodologies to livestock. Our accelerated and optimized protocol therefore bridges the advantages of AVITI sequencing and critical methods that rely on sequencing short DNA fragments.

Unstable transcripts have emerged as markers of active enhancers in vertebrates and shown to be involved in many cellular processes and medical disorders. However, their prevalence and role in plants is largely unexplored. Here, we comprehensively captured all actively initiating ("nascent") transcripts across diverse crops and other plants using capped small (cs)RNA-seq. We discovered that unstable transcripts are rare, unlike in vertebrates, and often originate from promoters. Additionally, many "distal" elements in plants initiate tissue-specific stable transcripts and are likely bone fide promoters of yet-unannotated genes or non-coding RNAs, cautioning against using genome annotations to infer "enhancers" or transcript stability. To investigate enhancer function, we integrated STARR-seq data. We found that annotated promoters, and other regions that initiate stable transcripts rather than unstable transcripts, function as stronger enhancers in plants. Our findings underscore the blurred line between promoters and enhancers and suggest that cis-regulatory elements encompass diverse structures and mechanisms in eukaryotes.