This study describes comprehensive polling of transcription start and termination sites and analysis of previously unidentified full-length complementary DNAs derived from the mouse genome. We identify the 5′ and 3′ boundaries of 181,047 transcripts with extensive variation in transcripts arising from alternative promoter usage, splicing, and polyadenylation. There are 16,247 new mouse protein-coding transcripts, including 5154 encoding previously unidentified proteins. Genomic mapping of the transcriptome reveals transcriptional forests, with overlapping transcription on both strands, separated by deserts in which few transcripts are observed. The data provide a comprehensive platform for the comparative analysis of mammalian transcriptional regulation in differentiation and development.

We present a major update of the HOCOMOCO collection that consists of patterns describing DNA binding specificities for human and mouse transcription factors. In this release, we profited from a nearly doubled volume of published in vivo experiments on transcription factor (TF) binding to expand the repertoire of binding models, replace low-quality models previously based on in vitro data only and cover more than a hundred TFs with previously unknown binding specificities. This was achieved by systematic motif discovery from more than five thousand ChIP-Seq experiments uniformly processed within the BioUML framework with several ChIP-Seq peak calling tools and aggregated in the GTRD database. HOCOMOCO v11 contains binding models for 453 mouse and 680 human transcription factors and includes 1302 mononucleotide and 576 dinucleotide position weight matrices, which describe primary binding preferences of each transcription factor and reliable alternative binding specificities. An interactive interface and bulk downloads are available on the web: http://hocomoco.autosome.ru and http://www.cbrc.kaust.edu.sa/hocomoco11. In this release, we complement HOCOMOCO by MoLoTool (Motif Location Toolbox, http://molotool.autosome.ru) that applies HOCOMOCO models for visualization of binding sites in short DNA sequences.

Combinatorial interactions among transcription factors are critical to directing tissue-specific gene expression. To build a global atlas of these combinations, we have screened for physical interactions among the majority of human and mouse DNA-binding transcription factors (TFs). The complete networks contain 762 human and 877 mouse interactions. Analysis of the networks reveals that highly connected TFs are broadly expressed across tissues, and that roughly half of the measured interactions are conserved between mouse and human. The data highlight the importance of TF combinations for determining cell fate, and they lead to the identification of a SMAD3/FLI1 complex expressed during development of immunity. The availability of large TF combinatorial networks in both human and mouse will provide many opportunities to study gene regulation, tissue differentiation, and mammalian evolution.

The FANTOM4 study identified transcriptional start sites active during proliferation arrest and differentiation of the human monocytic cell line THP-1. Systematic knockdown of 52 transcription factors provide support for their model in which a complex transcriptional network regulates the differentiation process. Using deep sequencing (deepCAGE), the FANTOM4 study measured the genome-wide dynamics of transcription-start-site usage in the human monocytic cell line THP-1 throughout a time course of growth arrest and differentiation. Modeling the expression dynamics in terms of predicted cis-regulatory sites, we identified the key transcription regulators, their time-dependent activities and target genes. Systematic siRNA knockdown of 52 transcription factors confirmed the roles of individual factors in the regulatory network. Our results indicate that cellular states are constrained by complex networks involving both positive and negative regulatory interactions among substantial numbers of transcription factors and that no single transcription factor is both necessary and sufficient to drive the differentiation process.

Availability of genome-scale in situ hybridization data allows systematic analysis of genetic neuroanatomical architecture. Within the hippocampus, electrophysiology and lesion and imaging studies demonstrate functional heterogeneity along the septotemporal axis, although precise underlying circuitry and molecular substrates remain uncharacterized. Application of unbiased statistical component analyses to genome-scale hippocampal gene expression data revealed robust septotemporal molecular heterogeneity, leading to the identification of a large cohort of genes with robust regionalized hippocampal expression. Manual mapping of heterogeneous CA3 pyramidal neuron expression patterns demonstrates an unexpectedly complex molecular parcellation into a relatively coherent set of nine expression domains in the septal/temporal and proximal/distal axes with reciprocal, nonoverlapping boundaries. Unique combinatorial profiles of adhesion molecules within these domains suggest corresponding differential connectivity, which is demonstrated for CA3 projections to the lateral septum using retrograde labeling. This complex, discrete molecular architecture provides a novel paradigm for predicting functional differentiation across the full septotemporal extent of the hippocampus.

Abstract Despite half a century of research, the biology of dinoflagellates remains enigmatic: they defy many functional and genetic traits attributed to typical eukaryotic cells. Genomic approaches to study dinoflagellates are often stymied due to their large, multi-gigabase genomes. Members of the genus Symbiodinium are photosynthetic endosymbionts of stony corals that provide the foundation of coral reef ecosystems. Their smaller genome sizes provide an opportunity to interrogate evolution and functionality of dinoflagellate genomes and endosymbiosis. We sequenced the genome of the ancestral Symbiodinium microadriaticum and compared it to the genomes of the more derived Symbiodinium minutum and Symbiodinium kawagutii and eukaryote model systems as well as transcriptomes from other dinoflagellates. Comparative analyses of genome and transcriptome protein sets show that all dinoflagellates, not only Symbiodinium , possess significantly more transmembrane transporters involved in the exchange of amino acids, lipids, and glycerol than other eukaryotes. Importantly, we find that only Symbiodinium harbor an extensive transporter repertoire associated with the provisioning of carbon and nitrogen. Analyses of these transporters show species-specific expansions, which provides a genomic basis to explain differential compatibilities to an array of hosts and environments, and highlights the putative importance of gene duplications as an evolutionary mechanism in dinoflagellates and Symbiodinium .

Domestication is anthropogenic evolution that fulfills mankind's critical food demand. As such, elucidating the molecular mechanisms behind this process promotes the development of future new crops. With the aim of understanding the whole domestication process of Asian rice and by employing the Oryza sativa subspecies (indica and japonica) as an Asian rice domestication model, we scrutinized genomic introgressions between them as traces of domestication. Here we show the genome-wide introgressive region (IR) map of Asian rice, by utilizing 4,587 accession genotypes with a stable outgroup species, particularly at the finest resolution through a machine learning-aided method. The IR map revealed that 14.2% of the rice genome consists of IRs, including both wide IRs (recent) and narrow IRs (ancient). This introgressive landscape with their time calibration indicates that introgression events happened in multiple genomic regions over multiple periods. From the correspondence between our wide IRs and so-called Selective Sweep Regions, we provide a definitive answer to a long-standing controversy in plant science: Asian rice phylogeny appears to depend on which regions and time frames are examined.

The deep sea, the largest compartment of the ocean, is an essential component of the Earth system, but the functional exploration of its microbial communities lags far behind that of other marine realms. Here we analyze 58 bathypelagic microbial metagenomes from the Atlantic, Indian, and Pacific Oceans in an unprecedented sampling effort from the Malaspina Global Expedition, to resolve the metabolic architecture of the deep ocean microbiome. The Malaspina Deep-Sea Gene Collection, 71% of which consists of novel genes, reveals a strong dichotomy between the functional traits of free-living and particle-attached microorganisms, and shows relatively patchy composition challenging the paradigm of a uniform dark ocean ecosystem. Metagenome Assembled Genomes uncovered 11 potential new phyla, establishing references for deep ocean microbial taxa, and revealed mixotrophy to be a widespread trophic strategy in the deep ocean. These results expand our understanding of the functional diversity, metabolic versatility, and carbon cycling in the largest ecosystem on Earth.

DNA methylation is involved in regulation of gene expression. Although modern methods profile DNA methylation at single CpG sites, methylation levels are usually averaged over genomic regions in the downstream analyses. In this study we demonstrate that single CpG methylation can serve as a more accurate predictor of gene expression compared to average promoter / gene body methylation. CpG positions with significant correlation between methylation and expression of a gene nearby (named CpG traffic lights) are evolutionary conserved and enriched for exact TSS positions and active enhancers. Among all promoter types, CpG traffic lights are especially enriched in poised promoters. Genes that harbor CpG traffic lights are associated with development and signal transduction. Methylation levels of individual CpG traffic lights vary between cell types dramatically with the increased frequency of intermediate methylation levels, indicating cell population heterogeneity in CpG methylation levels. Being in line with the concept of the inherited stochastic epigenetic variation, methylation of such CpG positions might contribute to transcriptional regulation. Alternatively, one can hypothesize that traffic lights are markers of absent gene expression resulting from inactivation of their regulatory elements. The CpG traffic lights provide a promising insight into mechanisms of enhancer activity and gene regulation linking methylation of single CpG to expression.