Background Cancer staging and treatment presumes a division into localized or metastatic disease. We proposed an intermediate state defined by ≤5 cumulative metastasis(es), termed oligometastases. In contrast to widespread polymetastases, oligometastatic patients may benefit from metastasis-directed local treatments. However, many patients who initially present with oligometastases progress to polymetastases. Predictors of progression could improve patient selection for metastasis-directed therapy. Methods Here, we identified patterns of microRNA expression of tumor samples from oligometastatic patients treated with high-dose radiotherapy. Results Patients who failed to develop polymetastases are characterized by unique prioritized features of a microRNA classifier that includes the microRNA-200 family. We created an oligometastatic-polymetastatic xenograft model in which the patient-derived microRNAs discriminated between the two metastatic outcomes. MicroRNA-200c enhancement in an oligometastatic cell line resulted in polymetastatic progression. Conclusions These results demonstrate a biological basis for oligometastases and a potential for using microRNA expression to identify patients most likely to remain oligometastatic after metastasis-directed treatment.

SUMMARY Heterochrony, defined as differences in the timing of developmental processes, impacts organ development, homeostasis, and regeneration. The molecular basis of heterochrony in mammalian tissues is poorly understood. We report that Hedgehog signaling activates a heterochronic pathway that controls differentiation timing in multiple lineages. A differentiation trajectory from second heart field cardiac progenitors to first heart field cardiomyocytes was identified by single-cell transcriptional profiling in mouse embryos. A survey of developmental signaling pathways revealed specific enrichment for Hedgehog signaling targets in cardiac progenitors. Removal of Hh signaling caused loss of progenitor and precocious cardiomyocyte differentiation gene expression in the second heart field in vivo . Introduction of active Hh signaling to mESC-derived progenitors, modelled by transient expression of the Hh-dependent transcription factor GLI1, delayed differentiation in cardiac and neural lineages in vitro . A shared GLI1-dependent network in both cardiac and neural progenitors was enriched with FOX family transcription factors. FOXF1, a GLI1 target, was sufficient to delay onset of the cardiomyocyte differentiation program in progenitors, by epigenetic repression of cardiomyocyte-specific enhancers. Removal of active Hh signaling or Foxf1 expression from second heart field progenitors caused precocious cardiac differentiation in vivo , establishing a mechanism for resultant Congenital Heart Disease. Together, these studies suggest that Hedgehog signaling directly activates a gene regulatory network that functions as a heterochronic switch to control differentiation timing across developmental lineages.

Summary Differentiation involves bifurcations between discrete cell states, each defined by a distinct gene expression profile. Single-cell RNA profiling allows the detection of bifurcations. However, while current methods capture these events, they do not identify characteristic gene signals. Here we show that BioTIP – a tipping-point theory-based analysis – can accurately, robustly, and reliably identify critical transition signals (CTSs). A CTS is a small group of genes with high covariance in expression that mark the cells approaching a bifurcation. We validated its accuracy in the cardiogenesis with known a tipping point and demonstrated the identified CTSs contain verified differentiation-driving transcription factors. We then demonstrated the application on a published mouse gastrulation dataset, validated the predicted CTSs using independent in-vivo samples, and inferred the key developing mesoderm regulator Etv2. Taken together, BioTIP is broadly applicable for the characterization of the plasticity, heterogeneity, and rapid switches in developmental processes, particularly in single-cell data analysis. Highlights Identifying significant critical transition signals (CTSs) from expression noise A significant CTS contains or is targeted by key transcription factors BioTIP identifies CTSs accurately and independent of trajectory topologies Significant CTSs reproducibly indicate bifurcations across datasets

Long noncoding RNAs (lncRNAs) localize in the cell nucleus and influence gene expression through a variety of molecular mechanisms. RNA sequencing of two biochemical fractions of nuclei reveals a unique class of lncRNAs, termed chromatin-enriched nuclear RNAs (cheRNAs) that are tightly bound to chromatin and putatively function to cis-activate gene expression. Until now, a rigorous analytic pipeline for nuclear RNA-seq has been lacking. In this study, we survey four computational strategies for nuclear RNA-seq data analysis and show that a new pipeline, Tuxedo, outperforms other approaches. Tuxedo not only assembles a more complete transcriptome, but also identifies cheRNA with higher accuracy. We have used Tuxedo to analyze gold-standard K562 cell datasets and further characterize the genomic features of intergenic cheRNA (icheRNA) and their similarity to those of enhancer RNA (eRNA). Moreover, we quantify the transcriptional correlation of icheRNA and adjacent genes, and suggest that icheRNA may be the cis-acting transcriptional regulator that is more positively associated with neighboring gene expression than eRNA predicted by state-of-art method or CAGE signal. We also explore two novel genomic associations, suggesting cheRNA may have diverse functions. A possible new role of H3K9me3 modification coincident with icheRNA may be associated with active enhancer derived from ancient mobile elements, while a potential cis-repressive function of antisense cheRNA (as-cheRNA) is likely to be involved in transiently modulating cell type-specific cis-regulation.

ABSTRACT The gene regulatory networks that coordinate the development of the cardiac and pulmonary systems are essential for terrestrial life but poorly understood. The T-box transcription factor Tbx5 is critical for both pulmonary specification and heart development, but how these activities are mechanistically integrated remains unclear. We show that Tbx5 regulates an evolutionarily conserved retinoic acid (RA)-Hedgehog-Wnt signaling cascade coordinating cardiopulmonary development. We demonstrate that Tbx5 directly maintains expression of the RA-synthesizing enzyme Aldh1a2 in the foregut lateral plate mesoderm via an intronic enhancer that is evolutionarily conserved among terrestrial vertebrates. Tbx5 promotes posterior second heart field identity in a positive feedback loop with RA, antagonizing a Fgf8-Cyp regulatory module and restricting FGF activity to the anterior. Tbx5/Aldh1a2-dependent RA signaling also directly activates Shh transcription in the adjacent foregut endoderm through the conserved MACS1 enhancer. Epithelial Hedgehog then signals back to the mesoderm, where together with Tbx5 it activates expression of Wnt2/2b that ultimately induce pulmonary fate in the foregut endoderm. These results provide mechanistic insight into the interrelationship between heart and lung development informing cardiopulmonary evolution and birth defects. KEY FINDINGS Tbx5 regulates second heart field patterning and pulmonary development via retinoic acid (RA) and Hedgehog (Hh) signaling. Tbx5 directly maintains transcription of the RA-synthesizing enzyme Aldh1a2 in the posterior second heart field mesoderm via an evolutionarily conserved intronic enhancer. Downstream of Tbx5, RA directly promotes Shh transcription through the evolutionarily conserved MACS1 endoderm enhancer. Downstream of Tbx5, RA suppresses FGF signaling to pattern the second heart field while promoting a Hedgehog-Wnt2/2b signaling cascade that induces pulmonary fate. SUMMARY STATEMENT Tbx5-dependent Retinoic Acid signaling regulates an evolutionarily conserved gene regulatory network that coordinates cardiac and pulmonary development.