Summary The role of individual miRNAs in small intestinal (SI) epithelial homeostasis is under-explored. In this study, we discovered that miR-375 is among the most enriched miRNAs in intestinal crypts and stem cells (ISCs), especially facultative ISCs. We then showed by multiple manipulations, including CRISPR/Cas9 editing, that miR-375 is strongly suppressed by Wnt-signaling. Single-cell RNA-seq analysis of SI crypt-enriched cells from miR-375 knockout (375-KO) mice revealed elevated numbers of tuft cells and increased expression of pro-proliferative genes in ISCs. Accordingly, the genetic loss of miR-375 promoted resistance to helminth infection and enhanced the regenerative response to irradiation. The conserved effects of miR-375 were confirmed by gain-of-function studies in Drosophila midgut stem cells in vivo. Moreover, functional experiments in enteroids uncovered a regulatory relationship between miR-375 and Yap1 that controls cell survival. Finally, analysis of mouse model and clinical data revealed an inverse association between miR-375 levels and intestinal tumor development. Highlights miR-375 is one of the most enriched miRNAs in ISCs, especially facultative ISCs. miR-375 modifies tuft cell abundance and pro-proliferative gene expression in ISCs. Loss of miR-375 in mice enhances the host response to helminth infection and crypt regeneration. Mouse and human intestinal cancer are associated with reduced miR-375 expression. eTOC Blurb Sethupathy and colleagues show that miR-375 is a Wnt-responsive, ISC-enriched miRNA that serves as a break on intestinal crypt proliferation. They also show that miR-375 modulates tuft cell abundance and pro-proliferative gene expression in ISCs, that miR-375 loss enhances the host response to helminth infection as well as crypt regeneration post-irradiation, and its reduced expression is associated with intestinal cancer.

Abstract The intestinal epithelial barrier is comprised of a monolayer of specialized intestinal epithelial cells (IECs) that are critical in maintaining gut mucosal homeostasis. Dysfunction within various IEC fractions can increase intestinal permeability, resulting in a chronic and debilitating condition known as Crohn’s disease (CD). Defining the molecular changes in each IEC type in CD will contribute to an improved understanding of the pathogenic processes and the identification of potential therapeutic targets. Here we performed, for the first time at single-cell resolution, a direct comparison of the colonic epithelial cellular and molecular landscape between treatment-naïve adult CD and non-IBD control patients. Our analysis revealed that in CD patients there is a significant skew in the colonic epithelial cellular distribution away from canonical LGR5 + stem cells, located at the crypt-bottom, and toward one specific subtype of mature colonocytes, located at the crypt-top. Further analysis revealed unique changes to gene expression programs in every major cell type, including a previously undescribed suppression in CD of most enteroendocrine driver genes as well as L-cell markers including GCG . We also dissect a previously poorly understood SPIB + cell cluster, revealing at least four sub-clusters that exhibit unique features. One of these SPIB + sub-clusters expresses crypt-top colonocyte markers and is significantly up-regulated in CD, whereas another sub-cluster strongly expresses and stains positive for lysozyme (albeit no other canonical Paneth cell marker), which surprisingly is greatly reduced in expression in CD. Finally, through integration with data from genome-wide association studies, we show that genes implicated in CD risk exhibit heretofore unknown cell-type specific patterns of aberrant expression in CD, providing unprecedented insight into the potential biological functions of these genes.

Abstract Aging is a consequence of complex molecular changes, but the roles of individual microRNAs (miRNAs) in aging remain unclear. One of the few miRNAs that are upregulated during both normal and premature aging is miR-29. We confirmed this finding in our study in both mouse and monkey models. Follow-up analysis of the transcriptomic changes during normal aging revealed that miR-29 is among the top miRNAs predicted to drive the aging-related gene expression changes. We also showed that partial loss of miR-29 extends the lifespan of Zmpste24 -/- mice, an established model of progeria, which indicates that miR-29 is functionally important in this accelerated aging model. To examine whether miR-29 upregulation alone is sufficient to promote aging-related phenotypes in vivo , we generated mice in which miR-29 can be conditionally overexpressed (miR-29TG). We found that miR-29 overexpression in mice is sufficient to drive aging-related phenotypes including alopecia, kyphosis, osteoporosis, senescence, and leads to early lethality. Transcriptomic analysis of both young miR-29TG and old WT mice revealed shared downregulation of genes enriched in extracellular matrix and fatty acid metabolism, and shared upregulation of genes in pathways linked to inflammation. Together, these results highlight the functional importance of miR-29 in controlling a gene expression program that drives agingrelated phenotypes.

Abstract MicroRNAs (miRNAs) are important post-transcriptional gene regulators in organ development. To explore candidate roles for miRNAs in prenatal SI lineage specification in humans, we used a multi-omic analysis strategy in a directed differentiation model that programs human pluripotent stem cells toward the SI lineage. We leveraged small RNA-seq to define the changing miRNA landscape, and integrated chromatin run-on sequencing (ChRO-seq) and RNA-seq to define genes subject to significant post-transcriptional regulation across the different stages of differentiation. Our analyses showed that the elevation of miR-182 and reduction of miR-375 are key events during SI lineage specification. We demonstrated that loss of miR-182 leads to an increase in the foregut marker SOX2 . We also used single-cell analyses in murine adult intestinal crypts to support a life-long role for miR-375 in the regulation of Zfp36l2 . Finally, we uncovered opposing roles of SMAD4 and WNT signaling in regulating miR-375 expression during SI lineage specification. Beyond the mechanisms highlighted in this study, we also present a web-based application for exploration of post-transcriptional regulation and miRNA-mediated control in the context of early human SI development. Graphical Abstract

Fibrolamellar carcinoma (FLC) is a rare, therapeutically intractable liver cancer that disproportionately affects youth. Although FLC tumors exhibit a distinct gene expression profile, the causative transcriptional mechanisms remain unclear. Here we used chromatin run-on sequencing to discover approximately 7,000 enhancers and 141 enhancer hotspots activated in FLC relative to non-malignant liver. Detailed bioinformatic analyses revealed aberrant ERK/MEK signaling and candidate master transcriptional regulators. We also defined the genes most strongly associated with aberrant FLC enhancer activity, including CA12 and SLC16A14. Treatment of FLC cell models with inhibitors of CA12 or SLC16A14 independently reduced cell viability and/or significantly enhanced the effect of MEK inhibitor cobimetinib. These findings highlight new molecular targets for drug development as well as novel drug combination approaches.

MicroRNAs (miRNAs) are short, non-coding RNAs that associate with Argonaute (AGO) to regulate mRNA stability and translation. While individual miRNAs have been shown to play important roles in white and brown adipose tissue in normal physiology and disease, a comprehensive analysis of miRNA activity in these tissues has not been performed. We used high-throughput sequencing of RNA isolated by crosslinking immunoprecipitation (HITS-CLIP) to comprehensively characterize the network of high-confidence, in vivo mRNA:miRNA interactions across white and brown fat, revealing over 100,000 unique miRNA binding sites. Targets for each miRNA were ranked to generate a catalog of miRNA binding activity, and the miR-29 family emerged as a top regulator of adipose tissue gene expression. Among the top targets of miR-29 was leptin, an adipocyte-derived hormone that acts on the brain to regulate food intake and energy expenditure. Two independent miR-29 binding sites in the leptin 3′-UTR were validated using luciferase assays, and miR-29 gain and loss-of-function modulated leptin mRNA and protein secretion in primary adipocytes. In mice, miR-29 abundance inversely correlated with leptin levels in two independent models of obesity. This work represents the only experimentally generated miRNA targetome in adipose tissue and identifies the first known post-transcriptional regulator of leptin. Future work aimed at manipulating miR-29:leptin binding may provide a therapeutic opportunity to treat obesity and its sequelae.

Abstract Inhalation exposure to ozone (O 3 ) causes adverse respiratory health effects that result from airway inflammation, a complex response mediated by changes to airway cellular transcriptional programs. These programs may be regulated in part by a subset of microRNAs transferred between cells (e.g. epithelial cells and macrophages) via extracellular vesicles (EV miRNA). To explore this, we exposed female C57BL/6J mice to filtered air (FA), 1, or 2 ppm O 3 by inhalation and collected bronchoalveolar lavage fluid (BALF) 21 hours later for markers of airway inflammation, EVs, and EV miRNA. Both concentrations of O 3 significantly increased markers of inflammation (neutrophils and total protein) and the number of EVs in the BALF. Using high-throughput small RNA sequencing, we identified several differentially expressed (DE) BALF EV miRNAs after 1 ppm (16 DE miRNAs) and 2 ppm (99 DE miRNAs) O 3 versus FA exposure. O 3 concentration response patterns in EV miRNA expression were apparent, particularly for the two most highly expressed (miR-2137 and miR-126-3p) and lowly expressed (miR-378-3p and miR-351-5p) miRNAs. Integrative analysis of EV miRNA expression and airway cellular mRNA expression identified EV miR-22-3p as a candidate regulator of transcriptomic responses to O 3 in airway macrophages. In contrast, we did not identify candidate miRNA regulators of mRNA expression data from conducting airways (predominantly composed of epithelial cells). In summary, our data show that O 3 exposure alters EV release and EV miRNA expression, suggesting that further investigation of EVs may provide insight into their effects on airway macrophage function and other mechanisms of O 3 -induced respiratory inflammation.