Abstract Background Non-coding regulatory elements (NCREs), such as enhancers, play a crucial role in gene regulation and genetic aberrations in NCREs can lead to human disease, including brain disorders. The human brain is complex and can be affected by numerous disorders; many of these are caused by genetic changes, but a multitude remain currently unexplained. Understanding NCREs acting during brain development has the potential to shed light on previously unrecognised genetic causes of human brain disease. Despite immense community-wide efforts to understand the role of the non-coding genome and NCREs, annotating functional NCREs remains challenging. Results Here we performed an integrative computational analysis of virtually all currently available epigenome data sets related to human fetal brain. Our in-depth analysis unravels 39,709 differentially active enhancers (DAEs) that show dynamic epigenomic rearrangement during early stages of human brain development, indicating likely biological function. Many of these DAEs are linked to clinically relevant genes, and functional validation of selected DAEs in cell models and zebrafish confirms their role in gene regulation. Compared to enhancers without dynamic epigenomic rearrangement, these regions are subjected to higher sequence constraints in humans, have distinct sequence characteristics and are bound by a distinct transcription factor landscape. DAEs are enriched for GWAS loci for brain related traits and for genetic variation found in individuals with neurodevelopmental disorders, including autism. Conclusion Our compendium of high-confidence enhancers will assist in deciphering the mechanism behind developmental genetics of the human brain and will be relevant to uncover missing heritability in human genetic brain disorders.

The contribution of ribosome heterogeneity and ribosome-associated factors to the molecular control of proteomes in health and disease remains enigmatic. We demonstrate that Survival Motor Neuron (SMN) protein, loss of which causes the neuromuscular disease spinal muscular atrophy (SMA), binds to ribosomes and that this interaction is tissue-dependent. SMN-primed ribosomes are positioned within the first five codons of a set of mRNAs which are enriched in IRES-like sequences in the 5′UTR and rare codons at the beginning of their coding sequence. Loss of SMN at early-stages of SMA induces translational defects in vivo, characterized by ribosome depletion in rare codons at the third and fifth position of the coding sequence. These positional defects cause ribosome depletion from mRNAs bound by SMN-primed ribosomes and translational impairment of proteins involved in motor neuron function and stability, including acetylcholinesterase. Thus, SMN plays a crucial role in the regulation of ribosome fluxes along mRNAs which encode proteins relevant to SMA pathogenesis.

Developmental and/or epileptic encephalopathies (DEEs) are a group of devastating genetic disorders, resulting in early onset, therapy resistant seizures and developmental delay. Here we report on 12 individuals from 10 families presenting with a severe form of intractable epilepsy, severe developmental delay, progressive microcephaly and visual disturbance. Whole exome sequencing identified a recurrent, homozygous variant (chr2:64083454A>G) in the essential UDP-glucose pyrophosphorylase (UGP2) gene in all probands. This rare variant results in a tolerable Met12Val missense change of the longer UGP2 protein isoform but causes a disruption of the start codon of the shorter isoform. We show that the absence of the shorter isoform leads to a reduction of functional UGP2 enzyme in brain cell types, leading to altered glycogen metabolism, upregulated unfolded protein response and premature neuronal differentiation, as modelled during pluripotent stem cell differentiation in vitro. In contrast, the complete lack of all UGP2 isoforms leads to differentiation defects in multiple lineages in human cells. Reduced expression of Ugp2a/Ugp2b in vivo in zebrafish mimics visual disturbance and mutant animals show a behavioral phenotype. Our study identifies a recurrent start codon mutation in UGP2 as a cause of a novel autosomal recessive DEE. Importantly, it also shows that isoform specific start-loss mutations causing expression loss of a tissue relevant isoform of an essential protein can cause a genetic disease, even when an organism-wide protein absence is incompatible with life. We provide additional examples where a similar disease mechanism applies.

Abstract Background Genetic alterations impacting on ubiquitously expressed proteins involved in mRNA metabolism often result in neurodegenerative conditions, with increasing evidence suggesting that translational defects can contribute to disease. Spinal Muscular Atrophy (SMA) is a neuromuscular disease caused by low levels of SMN protein, whose role in disease pathogenesis remains unclear. Results By determining in parallel the in vivo transcriptome and translatome in SMA mice we identified a robust decrease in translational efficiency, arising during early stages of disease. Translational defects affected translation-related transcripts, were cell autonomous, and were fully rescued after treatment with antisense oligonucleotides to restore SMN levels. Defects in translation were accompanied by a decrease in the number of ribosomes in motor neurons in vivo. Conclusion Our findings suggest that neuronal tissues and cells are particularly sensitive to perturbations in translation during SMA, and identify ribosome biology as an important, yet largely neglected, factor in motor neuron degeneration.

Ribosome profiling, or Ribo-Seq, is based around large-scale sequencing of RNA fragments protected from nuclease digestion by ribosomes. Thanks to its unique ability to provide positional information concerning ribosomes flowing along transcripts, this method can be used to shed light on mechanistic aspects of translation. However, current Ribo-Seq approaches lack the ability to distinguish between fragments protected by ribosomes in active translation or by inactive ribosomes. To overcome these significant limitation, we developed RiboLace: a novel method based on an original puromycin-containing molecule capable of isolating active ribosomes by means of an antibody-free and tag-free pull-down approach. RiboLace is fast, works reliably with low amounts of input material, and can be easily and rapidly applied both in vitro and in vivo, thereby generating a global snapshot of active ribosome footprints at single nucleotide resolution.