Genome-wide association studies have identified thousands of noncoding variants associated with human traits and diseases. However, the functional interpretation of these variants is a major challenge. Here, we constructed a multi-tissue atlas of human 3'UTR alternative polyadenylation (APA) quantitative trait loci (3'aQTLs), containing approximately 0.4 million common genetic variants associated with the APA of target genes, identified in 46 tissues isolated from 467 individuals (Genotype-Tissue Expression Project). Mechanistically, 3'aQTLs can alter poly(A) motifs, RNA secondary structure and RNA-binding protein-binding sites, leading to thousands of APA changes. Our CRISPR-based experiments indicate that such 3'aQTLs can alter APA regulation. Furthermore, we demonstrate that mapping 3'aQTLs can identify APA regulators, such as La-related protein 4. Finally, 3'aQTLs are colocalized with approximately 16.1% of trait-associated variants and are largely distinct from other QTLs, such as expression QTLs. Together, our findings show that 3'aQTLs contribute substantially to the molecular mechanisms underlying human complex traits and diseases.

ABSTRACT Oral-facial-digital syndromes (OFD) are a heterogeneous group of congenital disorders characterized by malformations of the face and oral cavity, and digit anomalies. To date, mutations in 12 ciliary-related genes have been identified that cause several types of OFD, suggesting that OFDs constitute a subgroup of developmental ciliopathies. Through homozygosity mapping and exome sequencing of two families with variable OFD type 2, we identified distinct germline mutations in INTS13 , a subunit of the Integrator complex. This 14-component complex associates with RNAPII and can cleave nascent RNA to modulate gene expression. We determined that INTS13 utilizes a discrete domain within its C-terminus to bind the Integrator cleavage module, which is disrupted by the identified germline INTS13 mutations. Depletion of INTS13 disrupts ciliogenesis in human cultured cells and causes dysregulation of a broad collection of ciliary genes. Accordingly, its knockdown in Xenopus embryos lead to motile cilia anomalies. Altogether, we show that mutations in INTS13 cause an autosomal recessive ciliopathy, which reveals key interactions within Integrator components.

SUMMARY RBFOX2, which has a well-established role in alternative splicing, is linked to heart diseases. However, it is unclear whether RBFOX2 has other roles in RNA processing that can influence gene expression/function in muscle cells, contributing to disease pathology. Here, we employed both 3’-end and nanopore cDNA sequencing to reveal a previously unrecognized role for RBFOX2 in maintaining alternative polyadenylation (APA) signatures in myoblasts. We found that RBFOX2-mediated APA modulates both mRNA levels and isoform expression of a collection of genes including contractile and mitochondrial genes. We identified the key muscle-specific contractile gene, Tropomyosin 1 and essential mitochondrial gene, Slc25a4 as APA targets of RBFOX2. Unexpectedly, depletion of RBFOX2 adversely affected mitochondrial health in myoblasts that is in part mediated by disrupted APA of mitochondrial gene Slc25a4 . Mechanistically, we found that RBFOX2 regulation of Slc25a4 APA is mediated through consensus RBFOX2 binding motifs near the distal polyadenylation site enforcing the use of the proximal polyadenylation site. In sum, our results unveiled a new role for RBFOX2 in fine tuning expression levels of mitochondrial and contractile genes via APA in myoblasts relevant to heart diseases.

INTS11 and CPSF73 are metal-dependent endonucleases for Integrator and pre-mRNA 3'-end processing, respectively. Here, we show that the INTS11 binding partner BRAT1/CG7044, a factor important for neuronal fitness, stabilizes INTS11 in the cytoplasm and is required for Integrator function in the nucleus. Loss of BRAT1 in neural organoids leads to transcriptomic disruption and precocious expression of neurogenesis-driving transcription factors. The structures of the human INTS9-INTS11-BRAT1 and Drosophila dIntS11-CG7044 complexes reveal that the conserved C terminus of BRAT1/CG7044 is captured in the active site of INTS11, with a cysteine residue directly coordinating the metal ions. Inspired by these observations, we find that UBE3D is a binding partner for CPSF73, and UBE3D likely also uses a conserved cysteine residue to directly coordinate the active site metal ions. Our studies have revealed binding partners for INTS11 and CPSF73 that behave like cytoplasmic chaperones with a conserved impact on the nuclear functions of these enzymes.

Integrator has critical roles in noncoding RNA 3′-end processing as well as transcription attenuation of selected mRNAs. IntS11 is the endonuclease for RNA cleavage, as a part of the IntS4-IntS9-IntS11 complex (Integrator cleavage module, ICM). Our structure of the Drosophila ICM, determined by cryo-electron microscopy at 2.74 Å resolution, unexpectedly revealed the stable association of an inositol hexakisphosphate (IP 6 ) molecule. The binding site is located in a highly electropositive pocket at an interface among all three subunits of ICM, 55 Å away from the IntS11 active site and generally conserved in other ICMs. IP 6 binding is also confirmed in human ICM. Mutations of residues in this binding site or disruption of IP 6 biosynthesis significantly reduced Integrator assembly and activity in snRNA 3′-end processing. Our structural and functional studies reveal that Integrator is subject to intricate cellular control and IP 6 is a critical regulator of Integrator assembly and function in Drosophila , humans, and likely other organisms.

ABSTRACT The sequence-specific RNA-binding protein Pumilio controls development of Drosophila ; however, the network of mRNAs that it regulates remains incompletely characterized. In this study, we utilize knockdown and knockout approaches coupled with RNA-Seq to measure the impact of Pumilio on the transcriptome of Drosophila cells. We also used an improved RNA co-immunoprecipitation method to identify Pumilio bound mRNAs in Drosophila embryos. Integration of these datasets with the content of Pumilio binding motifs across the transcriptome revealed novel direct Pumilio target genes involved in neural, muscle, wing, and germ cell development, and cellular proliferation. These genes include components of Wnt, TGF-beta, MAPK/ERK, and Notch signaling pathways, DNA replication, and lipid metabolism. Additionally, we identified the mRNAs regulated by the CCR4-NOT deadenylase complex, a key factor in Pumilio-mediated repression, and observed concordant regulation of Pumilio:CCR4-NOT target mRNAs. Computational modeling revealed that Pumilio binding, binding site number, density, and sequence context are important determinants of regulation. Moreover, the content of optimal synonymous codons in target mRNAs exhibits a striking functional relationship to Pumilio and CCR4-NOT regulation, indicating that the inherent translation efficiency and stability of the mRNA modulates their response to these trans-acting regulatory factors. Together, the results of this work provide new insights into the Pumilio regulatory network and mechanisms, and the parameters that influence the efficacy of Pumilio-mediated regulation.

Cellular homeostasis requires transcriptional outputs to be coordinated, and many events post transcription initiation can dictate the levels and functions of mature transcripts. To systematically identify regulators of inducible gene expression, we performed high-throughput RNAi screening of the Drosophila Metallothionein A (MtnA) promoter. This revealed that the Integrator complex, which has a well-established role in 3' end processing of small nuclear RNAs (snRNAs), attenuates MtnA transcription during copper stress. Integrator complex subunit 11 (IntS11) endonucleolytically cleaves MtnA transcripts, resulting in premature transcription termination and degradation of the nascent RNAs by the RNA exosome, a complex also identified in the screen. Using RNA-seq, we then identified >400 additional Drosophila protein-coding genes whose expression increases upon Integrator depletion. We focused on a subset of these genes and confirmed that Integrator is bound to their 5' ends and negatively regulates their transcription via IntS11 endonuclease activity. Many non-catalytic Integrator subunits, which are largely dispensable for snRNA processing, also have regulatory roles at these protein-coding genes, possibly by controlling Integrator recruitment or RNA polymerase II dynamics. Altogether, our results suggest that attenuation via Integrator cleavage limits production of many full-length mRNAs, allowing precise control of transcription outputs.

Abstract Pumilio paralogs, PUM1 and PUM2, are sequence-specific RNA-binding proteins that are essential for vertebrate development and neurological functions. PUM1&2 negatively regulate gene expression by accelerating degradation of specific mRNAs. Here, we determined the repression mechanism and impact of human PUM1&2 on the transcriptome. We identified subunits of the CCR4-NOT (CNOT) deadenylase complex required for stable interaction with PUM1&2 and to elicit CNOT-dependent repression. Isoform-level RNA sequencing revealed broad co-regulation of target mRNAs through the PUM-CNOT repression mechanism. Functional dissection of the domains of PUM1&2 identified a conserved N-terminal region that confers the predominant repressive activity via direct interaction with CNOT. In addition, we show that the mRNA decapping enzyme, DCP2, has an important role in repression by PUM1&2 N-terminal regions. Our results support a molecular model of repression by human PUM1&2 via direct recruitment of CNOT deadenylation machinery in a decapping-dependent mRNA decay pathway.

The transition of RNA polymerase II (Pol II) from initiation to productive elongation is a central, regulated step in metazoan gene expression. At many genes, Pol II pauses stably in early elongation, remaining engaged with the 25-60 nucleotide-long nascent RNA for many minutes while awaiting signals for release into the gene body. However, a number of genes display highly unstable promoter Pol II, suggesting that paused polymerase might dissociate from template DNA at these promoters and release a short, non-productive mRNA. Here, we report that paused Pol II can be actively destabilized by the Integrator complex. Specifically, Integrator utilizes its RNA endonuclease activity to cleave nascent RNA and drive termination of paused Pol II. These findings uncover a previously unappreciated mechanism of metazoan gene repression, akin to bacterial transcription attenuation, wherein promoter-proximal Pol II is prevented from entering productive elongation through factor-regulated termination.