The laboratory mouse shares the majority of its protein-coding genes with humans, making it the premier model organism in biomedical research, yet the two mammals differ in significant ways. To gain greater insights into both shared and species-specific transcriptional and cellular regulatory programs in the mouse, the Mouse ENCODE Consortium has mapped transcription, DNase I hypersensitivity, transcription factor binding, chromatin modifications and replication domains throughout the mouse genome in diverse cell and tissue types. By comparing with the human genome, we not only confirm substantial conservation in the newly annotated potential functional sequences, but also find a large degree of divergence of sequences involved in transcriptional regulation, chromatin state and higher order chromatin organization. Our results illuminate the wide range of evolutionary forces acting on genes and their regulatory regions, and provide a general resource for research into mammalian biology and mechanisms of human diseases.

Significance To date, various studies have found similarities between humans and mice on a molecular level, and indeed, the murine model serves as an important experimental system for biomedical science. In this study of a broad number of tissues between humans and mice, high-throughput sequencing assays on the transcriptome and epigenome reveal that, in general, differences dominate similarities between the two species. These findings provide the basis for understanding the differences in phenotypes and responses to conditions in humans and mice.

A BLUEPRINT of immune cell development To determine the epigenetic mechanisms that direct blood cells to develop into the many components of our immune system, the BLUEPRINT consortium examined the regulation of DNA and RNA transcription to dissect the molecular traits that govern blood cell differentiation. By inducing immune responses, Saeed et al. document the epigenetic changes in the genome that underlie immune cell differentiation. Cheng et al. demonstrate that trained monocytes are highly dependent on the breakdown of sugars in the presence of oxygen, which allows cells to produce the energy needed to mount an immune response. Chen et al. examine RNA transcripts and find that specific cell lineages use RNA transcripts of different length and composition (isoforms) to form proteins. Together, the studies reveal how epigenetic effects can drive the development of blood cells involved in the immune system. Science , this issue 10.1126/science.1251086 , 10.1126/science.1250684 , 10.1126/science.1251033

Abstract Post-mortem tissues samples are a key resource for investigating patterns of gene expression. However, the processes triggered by death and the post-mortem interval (PMI) can significantly alter physiologically normal RNA levels. We investigate the impact of PMI on gene expression using data from multiple tissues of post-mortem donors obtained from the GTEx project. We find that many genes change expression over relatively short PMIs in a tissue-specific manner, but this potentially confounding effect in a biological analysis can be minimized by taking into account appropriate covariates. By comparing ante- and post-mortem blood samples, we identify the cascade of transcriptional events triggered by death of the organism. These events do not appear to simply reflect stochastic variation resulting from mRNA degradation, but active and ongoing regulation of transcription. Finally, we develop a model to predict the time since death from the analysis of the transcriptome of a few readily accessible tissues.

We present a global atlas of 4,728 metagenomic samples from mass-transit systems in 60 cities over 3 years, representing the first systematic, worldwide catalog of the urban microbial ecosystem. This atlas provides an annotated, geospatial profile of microbial strains, functional characteristics, antimicrobial resistance (AMR) markers, and genetic elements, including 10,928 viruses, 1,302 bacteria, 2 archaea, and 838,532 CRISPR arrays not found in reference databases. We identified 4,246 known species of urban microorganisms and a consistent set of 31 species found in 97% of samples that were distinct from human commensal organisms. Profiles of AMR genes varied widely in type and density across cities. Cities showed distinct microbial taxonomic signatures that were driven by climate and geographic differences. These results constitute a high-resolution global metagenomic atlas that enables discovery of organisms and genes, highlights potential public health and forensic applications, and provides a culture-independent view of AMR burden in cities.

Abstract Background During development, most cells undergo striking changes in order to develop into functional tissues. All along this process, the identity of each tissue arises from the particular combination of regulatory transcription factors that specifically control the expression of relevant genes for growth, pattern formation and differentiation. In this scenario, regulation of gene expression turns out to be essential to determine cell fate and tissue specificity. Results To characterize the dynamic transcriptional profiles during cellular differentiation, we tracked down the transcriptome of committed cells in different Drosophila melanogaster tissues and compartments at a number of developmental stages. We found that during fly development, temporal transcriptional changes shared across lineages are much larger than spatial lineage-specific transcriptional changes, and that cellular differentiation is dominated by a transcriptional program, common to multiple lineages, that governs the transition from undifferentiated to fully differentiated cells independently from the differentiation end point. The program is under weak epigenetic regulation, and it is characterized by downregulation of genes associated with cell cycle, and concomitant activation of genes involved in oxidative metabolism. Largely orthogonal to this program, tissue specific transcriptional programs, defined by a comparatively small number of genes are responsible for lineage specification. Transcriptome comparisons with worm, mouse and human, reveal that this transcriptional differentiation program is broadly conserved within metazoans. Conclusions Our data provides a novel perspective to metazoan development, and strongly suggest a model, in which the main transcriptional drive during cell type and tissue differentiation is the transition from precursor undifferentiated to terminally differentiated cells, irrespective of cell type.

ABSTRACT MicroRNAs (miRNAs) play a critical role as post-transcriptional regulators of gene expression. The ENCODE project profiled the expression of miRNAs in a comprehensive set of tissues during a time-course of mouse embryonic development and captured the expression dynamics of 785 miRNAs. We found distinct tissue and developmental stage specific miRNA expression clusters, with an overall pattern of increasing tissue specific expression as development proceeds. Comparative analysis of conserved miRNAs in mouse and human revealed stronger clustering of expression patterns by tissue types rather than by species. An analysis of messenger RNA gene expression clusters compared with miRNA expression clusters identifies the potential role of specific miRNA expression clusters in suppressing the expression of mRNAs specific to other developmental programs in the tissue where these microRNAs are expressed during embryonic development. Our results provide the most comprehensive timecourse of miRNA expression as an integrated part of the ENCODE reference dataset for mouse embryonic development.

Natural Antisense Transcripts (NATs) are long non-coding RNAs (lncRNAs) that overlap coding genes in the opposite strand. NATs roles have been related to gene regulation through different mechanisms, including post-transcriptional RNA processing. With the aim to identify NATs with potential regulatory function during fly development, we generated RNA-Seq data in eye-antenna, leg, and wing at third instar larvae. Among the candidate NATs, we found bsAS , antisense to bs/DSRF , a gene involved in wing development and neural processes. Through the analysis of the RNA-Seq data, we found that these two different functions are carried out by the two different protein isoforms encoded in the bs gene. We also found that the usage of these isoforms is regulated by bsAS . This regulation is essential for the correct determination of cell fate during Drosophila development, as bsAS knockouts show highly aberrant phenotypes. bs regulation by bsAS is mediated by the specific physical interaction of the bsAS promoter with the promoters of bs , and it likely involves a mechanism, where expression of bsAS leads to the collision of RNA polymerases acting in opposite directions, preventing the elongation of the longer isoforms of bs , the ones carrying the neural related functions. Evolutionary analysis suggests that the bsAS NAT emerged simultaneously to the long-short isoform structure of bs , preceding the emergence of wings in insects, and maybe related to regulation of neural differentiation.

We have produced RNA sequencing data for a number of primary cells from different locations in the human body. The clustering of these primary cells reveals that most cells in the human body share a few broad transcriptional programs, which define five major cell types: epithelial, endothelial, mesenchymal, neural and blood cells. These act as basic components of many tissues and organs. Based on gene expression, these cell types redefine the basic histological types by which tissues have been traditionally classified. We identified genes whose expression is specific to these cell types, and from these genes, we estimated the contribution of the major cell types to the composition of human tissues. We found this cellular composition to be a characteristic signature of tissues, and to reflect tissue morphological heterogeneity and histology. We identified changes in cellular composition in different tissues associated with age and sex and found that departures from the normal cellular composition correlate with histological phenotypes associated to disease.One Sentence Summary A few broad transcriptional programs define the major cell types underlying the histology of human tissues and organs.

We characterized by RNA-seq the transcriptional profiles of a large and heterogeneous collection of mouse tissues, augmenting the mouse transcriptome with thousands of novel transcript candidates. Comparison with transcriptome profiles obtained in human cell lines reveals substantial conservation of transcriptional programs, and uncovers a distinct class of genes with levels of expression across cell types and species, that have been constrained early in vertebrate evolution. This core set of genes capture a substantial and constant fraction of the transcriptional output of mammalian cells, and participates in basic functional and structural housekeeping processes common to all cell types. Perturbation of these constrained genes is associated with significant phenotypes including embryonic lethality and cancer. Evolutionary constraint in gene expression levels is not reflected in the conservation of the genomic sequences, but it is associated with strong and conserved epigenetic marking, as well as to a characteristic post-transcriptional regulatory program in which sub-cellular localization and alternative splicing play comparatively large roles.