Abstract The CRISPR–Cas system is a powerful genome editing tool that functions in a diverse array of organisms and cell types. The technology was initially developed to induce targeted mutations in DNA, but CRISPR–Cas has now been adapted to target nucleic acids for a range of purposes. CHOPCHOP is a web tool for identifying CRISPR–Cas single guide RNA (sgRNA) targets. In this major update of CHOPCHOP, we expand our toolbox beyond knockouts. We introduce functionality for targeting RNA with Cas13, which includes support for alternative transcript isoforms and RNA accessibility predictions. We incorporate new DNA targeting modes, including CRISPR activation/repression, targeted enrichment of loci for long-read sequencing, and prediction of Cas9 repair outcomes. Finally, we expand our results page visualization to reveal alternative isoforms and downstream ATG sites, which will aid users in avoiding the expression of truncated proteins. The CHOPCHOP web tool now supports over 200 genomes and we have released a command-line script for running larger jobs and handling unsupported genomes. CHOPCHOP v3 can be found at https://chopchop.cbu.uib.no

ABSTRACT • Background With the rapid growth in the use of high-throughput methods for characterizing translation and the continued expansion of multi-omics, there is a need for back-end functions and streamlined tools for processing, analyzing, and characterizing data produced by these assays. • Results Here, we introduce ORFik, a user-friendly R/Bioconductor toolbox for studying translation and its regulation. It extends GenomicRanges from the genome to the transcriptome and implements a framework that integrates data from several sources. ORFik streamlines the steps to process, analyze, and visualize the different steps of translation with a particular focus on initiation and elongation. It accepts high-throughput sequencing data from ribosome profiling to quantify ribosome elongation or RCP-seq/TCP-seq to also quantify ribosome scanning. In addition, ORFik can use CAGE data to accurately determine 5’UTRs and RNA-seq for determining translation relative to RNA abundance. ORFik supports and calculates over 30 different translation-related features and metrics from the literature and can annotate translated regions such as proteins or upstream open reading frames. As a use-case, we demonstrate using ORFik to rapidly annotate the dynamics of 5’ UTRs across different tissues, detect their uORFs, and characterize their scanning and translation in the downstream protein-coding regions. • Availability http://bioconductor.org/packages/ORFik

ABSTRACT Innovations in metazoan development arise from evolutionary modification of gene regulatory networks (GRNs). We report widespread cryptic variation in the requirement for two key regulatory inputs, SKN-1/Nrf2 and MOM-2/Wnt, into the C. elegans endoderm GRN. While some natural variants show a nearly absolute requirement for these two regulators, in others, most embryos differentiate endoderm in their absence. GWAS and analysis of recombinant inbred lines reveal multiple genetic regions underlying this broad phenotypic variation. We observe a reciprocal trend, in which genomic variants, or knockdown of endoderm regulatory genes, that result in a high SKN-1 requirement often show low MOM-2/Wnt requirement and vice-versa, suggesting that cryptic variation in the endoderm GRN may be tuned by opposing requirements for these two key regulatory inputs. These findings reveal that while the downstream components in the endoderm GRN are common across metazoan phylogeny, initiating regulatory inputs are remarkably plastic even within a single species.

Polyadenylation at the 3’-end is a major regulator of messenger RNA and its length is known to affect nuclear export, stability and translation, among others. Only recently, strategies have emerged that allow for genome-wide poly(A) length assessment. These methods identify genes connected to poly(A) tail measurements indirectly by short-read alignment to genetic 3’-ends. Concurrently Oxford Nanopore Technologies (ONT) established full-length isoform RNA sequencing containing the entire poly(A) tail. However, assessing poly(A) length through basecalling has so far not been possible due the inability to resolve long homopolymeric stretches in ONT sequencing.Here we present tailfindr , an R package to estimate poly(A) tail length on ONT long-read sequencing data. tailfindr operates on unaligned, basecalled data. It measures poly(A) tail length from both native RNA and DNA sequencing, which makes poly(A) tail studies by full-length cDNA approaches possible for the first time. We assess tailfindr’s performance across different poly(A) lengths, demonstrating that tailfindr is a versatile tool providing poly(A) tail estimates across a wide range of sequencing conditions.

Widespread neuronal complex I (CI) deficiency was recently reported to be a characteristic in a subgroup of individuals with idiopathic Parkinson's disease (PD). Here, we sought to determine whether a CI deficient subgroup could be discerned using clinically accessible muscle biopsy. Vastus lateralis needle biopsies were collected from 83 individuals with PD and 29 neurologically healthy controls and analyzed by immunohistochemistry for complexes I and IV, cytochrome c oxidase/succinate dehydrogenase (COX/SDH) histochemistry, and spectrophotometric activity assays of complexes I-IV. Mitochondrial DNA (mtDNA) copy number, deletions, and point variation were analyzed in single muscle fibers and bulk biopsy samples. PD muscle exhibited reduced CI activity at the group level, with 9% of cases falling below two standard deviations of the control group. This deficiency was not associated with mtDNA abnormalities. Our findings support the existence of a PD subpopulation characterized by CI pathology and suggest that stratification by extra-neural mitochondrial dysfunction may be informative for selecting individuals for clinical trials.

Abstract The heteroplasmic state of eukaryotic cells allows for cryptic accumulation of defective mitochondrial genomes (mtDNA). “Purifying selection” mechanisms operate to remove such dysfunctional mtDNAs. We found that activators of programmed cell death (PCD), including the CED-3 and CSP-1 caspases, the BH3-only protein CED-13, and PCD corpse engulfment factors, are required in C. elegans to attenuate germline abundance of a 3.1 kb mtDNA deletion mutation, uaDf5 , which is normally stably maintained in heteroplasmy with wildtype mtDNA. In contrast, removal of CED-4/Apaf1 or a mutation in the CED-4-interacting prodomain of CED-3, do not increase accumulation of the defective mtDNA, suggesting induction of a non-canonical germline PCD mechanism or non-apoptotic action of the CED-13/caspase axis. We also found that the abundance of germline mtDNA uaDf5 reproducibly increases with age of the mothers. This effect is transmitted to the offspring of mothers, with only partial intergenerational removal of the defective mtDNA. In mutants with elevated mtDNA uaDf5 levels, this removal is enhanced in older mothers, suggesting an age-dependent mechanism of mtDNA quality control. Indeed, we found that both steady-state and age-dependent accumulation rates of uaDf5 are markedly decreased in long-lived, and increased in short-lived, mutants. These findings reveal that regulators of both PCD and the aging program are required for germline mtDNA quality control and its intergenerational transmission.

In phylogenetically diverse organisms, the 5' ends of a subset of mRNAs are trans-spliced with a spliced leader (SL) RNA. The functions of SL trans-splicing, however, remain largely enigmatic. Here, we quantified translation genome-wide in the marine chordate, Oikopleura dioica, under inhibition of mTOR, a central growth regulator. Translation of trans-spliced TOP mRNAs was suppressed, showing that the SL sequence permits nutrient-dependent translational control of growth-related mRNAs. Under crowded, nutrient-limiting conditions, O. dioica continues to filter-feed, but arrests growth until favorable conditions return. Upon release from such conditions, initial recovery was independent of nutrient-responsive, trans-spliced genes, suggesting animal density sensing as a first trigger for resumption of development. Our results demonstrate a role for trans-splicing in the coordinated translational down-regulation of nutrient-responsive genes under limiting conditions and suggest an innovative strategy for rapid evolution of mTOR targets in genomes of metazoans whose reproduction is tightly linked to nutritional cues.

Translation initiation is often attributed as the rate determining step of eukaryotic protein synthesis and key to gene expression control. Despite this centrality the series of steps involved in this process are poorly understood. Here we capture the transcriptome-wide occupancy of ribosomes across all stages of translation initiation, enabling us to characterize the transcriptome-wide dynamics of ribosome recruitment to mRNAs, scanning across 5'UTRs and stop codon recognition, in a higher eukaryote. We provide mechanistic evidence for ribosomes attaching to the mRNA by threading the mRNA through the small subunit. Moreover, we identify features regulating the recruitment and processivity of scanning ribosomes, redefine optimal initiation contexts and demonstrate endoplasmic reticulum specific regulation of initiation. Our approach enables deconvoluting translation initiation into separate stages and identifying the regulators at each step.

Gene regulatory networks (GRNs) that direct animal embryogenesis must respond to varying environmental and physiological conditions to ensure robust construction of organ systems. While GRNs are evolutionarily modified by natural genomic variation, the roles of epigenetic processes in shaping plasticity of GRN architecture are not well-understood. The endoderm GRN in C. elegans is initiated by the maternally supplied SKN-1/Nrf2 bZIP transcription factor; however, the requirement for SKN-1 in endoderm specification varies widely among distinct C. elegans wild isotypes owing to rapid developmental system drift driven by accumulation of cryptic genetic variants. We report here that heritable epigenetic factors that are stimulated by transient developmental diapause also underlie cryptic variation in the requirement for SKN-1 in endoderm development. This epigenetic memory is inherited from the maternal germline, apparently through a nuclear, rather than cytoplasmic, signal, resulting in a parent-of-origin effect (POE), in which the phenotype of the progeny resembles that of the maternal founder. The occurrence and persistence of POE varies between different parental pairs, perduring for at least ten generations in one pair. This long-perduring POE requires piwi-piRNA function and the germline nuclear RNAi pathway, as well as MET-2 and SET-32, which direct histone H3K9 trimethylation and drive heritable epigenetic modification. Such non-genetic cryptic variation may provide a resource of additional phenotypic diversity through which adaptation may facilitate evolutionary changes and shape developmental regulatory systems.