MicroRNAs (miRNAs) represent an important class of small non-coding RNAs (sRNAs) that regulate gene expression by targeting messenger RNAs. However, assigning miRNAs to their regulatory target genes remains technically challenging. Recently, high-throughput CLIP-Seq and degradome sequencing (Degradome-Seq) methods have been applied to identify the sites of Argonaute interaction and miRNA cleavage sites, respectively. In this study, we introduce a novel database, starBase (sRNA target Base), which we have developed to facilitate the comprehensive exploration of miRNA-target interaction maps from CLIP-Seq and Degradome-Seq data. The current version includes high-throughput sequencing data generated from 21 CLIP-Seq and 10 Degradome-Seq experiments from six organisms. By analyzing millions of mapped CLIP-Seq and Degradome-Seq reads, we identified ∼1 million Ago-binding clusters and ∼2 million cleaved target clusters in animals and plants, respectively. Analyses of these clusters, and of target sites predicted by 6 miRNA target prediction programs, resulted in our identification of approximately 400,000 and approximately 66,000 miRNA-target regulatory relationships from CLIP-Seq and Degradome-Seq data, respectively. Furthermore, two web servers were provided to discover novel miRNA target sites from CLIP-Seq and Degradome-Seq data. Our web implementation supports diverse query types and exploration of common targets, gene ontologies and pathways. The starBase is available at http://starbase.sysu.edu.cn/.

Methylation and the single neuronal cell The presence or absence of methylation on chromosomal DNA can drive or repress gene expression. Now, a comprehensive map of methylation variation in neuronal cell populations, including a between-species comparison, illustrates how epigenetic diversity plays important roles in neuronal development. Luo et al. examined how DNA methylation is both similar and different within neurons at the single-nucleus level in humans and mice. They identified 16 mouse and 21 human neuronal clusters, with greater complexity of excitatory neurons in deep brain layers than in superficial layers. Science , this issue p. 600

Long non-coding RNAs (lncRNAs) and microRNAs (miRNAs) represent two classes of important non-coding RNAs in eukaryotes. Although these non-coding RNAs have been implicated in organismal development and in various human diseases, surprisingly little is known about their transcriptional regulation. Recent advances in chromatin immunoprecipitation with next-generation DNA sequencing (ChIP-Seq) have provided methods of detecting transcription factor binding sites (TFBSs) with unprecedented sensitivity. In this study, we describe ChIPBase (http://deepbase.sysu.edu.cn/chipbase/), a novel database that we have developed to facilitate the comprehensive annotation and discovery of transcription factor binding maps and transcriptional regulatory relationships of lncRNAs and miRNAs from ChIP-Seq data. The current release of ChIPBase includes high-throughput sequencing data that were generated by 543 ChIP-Seq experiments in diverse tissues and cell lines from six organisms. By analysing millions of TFBSs, we identified tens of thousands of TF-lncRNA and TF-miRNA regulatory relationships. Furthermore, two web-based servers were developed to annotate and discover transcriptional regulatory relationships of lncRNAs and miRNAs from ChIP-Seq data. In addition, we developed two genome browsers, deepView and genomeView, to provide integrated views of multidimensional data. Moreover, our web implementation supports diverse query types and the exploration of TFs, lncRNAs, miRNAs, gene ontologies and pathways.

Small non-coding RNAs (e.g. miRNAs) and long non-coding RNAs (e.g. lincRNAs and circRNAs) are emerging as key regulators of various cellular processes. However, only a very small fraction of these enigmatic RNAs have been well functionally characterized. In this study, we describe deepBase v2.0 (http://biocenter.sysu.edu.cn/deepBase/), an updated platform, to decode evolution, expression patterns and functions of diverse ncRNAs across 19 species. deepBase v2.0 has been updated to provide the most comprehensive collection of ncRNA-derived small RNAs generated from 588 sRNA-Seq datasets. Moreover, we developed a pipeline named lncSeeker to identify 176 680 high-confidence lncRNAs from 14 species. Temporal and spatial expression patterns of various ncRNAs were profiled. We identified approximately 24 280 primate-specific, 5193 rodent-specific lncRNAs, and 55 highly conserved lncRNA orthologs between human and zebrafish. We annotated 14 867 human circRNAs, 1260 of which are orthologous to mouse circRNAs. By combining expression profiles and functional genomic annotations, we developed lncFunction web-server to predict the function of lncRNAs based on protein-lncRNA co-expression networks. This study is expected to provide considerable resources to facilitate future experimental studies and to uncover ncRNA functions.

Altered transcriptional and epigenetic regulation of brain cell types may contribute to cognitive changes with advanced age. Using single-nucleus multi-omic DNA methylation and transcriptome sequencing (snmCT-seq) in frontal cortex from young adult and aged donors, we found widespread age- and sex-related variation in specific neuron types. The proportion of inhibitory SST- and VIP-expressing neurons was reduced in aged donors. Excitatory neurons had more profound age-related changes in their gene expression and DNA methylation than inhibitory cells. Hundreds of genes involved in synaptic activity, including EGR1, were less expressed in aged adults. Genes located in subtelomeric regions increased their expression with age and correlated with reduced telomere length. We further mapped cell-type-specific sex differences in gene expression and X-inactivation escape genes. Multi-omic single-nucleus epigenomes and transcriptomes provide new insight into the effects of age and sex on human neurons.

Abstract Neurodegenerative diseases, such as amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD), are strongly influenced by inherited genetic variation, but environmental and epigenetic factors also play key roles in the course of these diseases. A hexanucleotide repeat expansion in the C9orf72 (C9) gene is the most common genetic cause of ALS and FTD. To determine the cellular alterations associated with the C9 repeat expansion, we performed single nucleus transcriptomics (snRNA-seq) and epigenomics (snATAC-seq) in postmortem samples of motor and frontal cortices from C9-ALS and C9-FTD donors. We found pervasive alterations of gene expression across multiple cortical cell types in C9-ALS, with the largest number of affected genes in astrocytes and excitatory neurons. Astrocytes increased expression of markers of activation and pathways associated with structural remodeling. Excitatory neurons in upper and deep layers increased expression of genes related to proteostasis, metabolism, and protein expression, and decreased expression of genes related to neuronal function. Epigenetic analyses revealed concordant changes in chromatin accessibility, histone modifications, and gene expression in specific cell types. C9-FTD patients had a distinct pattern of changes, including loss of neurons in frontal cortex and altered expression of thousands of genes in astrocytes and oligodendrocyte-lineage cells. Overall, these findings demonstrate a context-dependent molecular disruption in C9-ALS and C9-FTD, resulting in distinct effects across cell types, brain regions, and disease phenotypes. One Sentence Summary C9orf72-associated ALS and FTD showed a distinct pattern of transcriptome changes, with the largest number of affected genes in C9-ALS in astrocytes and excitatory neurons in upper and deep layers.

ABSTRACT Posttranscriptional adenosine-to-inosine modifications amplify the functionality of RNA molecules in the brain, yet the cellular and genetic regulation of RNA editing is poorly described. We quantified base-specific RNA editing across three major cell populations from the human prefrontal cortex: glutamatergic neurons, medial ganglionic eminence GABAergic neurons, and oligodendrocytes. We found more selective editing and RNA hyper-editing in neurons relative to oligodendrocytes. The pattern of RNA editing was highly cell type-specific, with 189,229 cell type-associated sites. The cellular specificity for thousands of sites was confirmed by single nucleus RNA-sequencing. Importantly, cell type-associated sites were enriched in GTEx RNA-sequencing data, edited ∼twentyfold higher than all other sites, and variation in RNA editing was predominantly explained by neuronal proportions in bulk brain tissue. Finally, we discovered 661,791 cis-editing quantitative trait loci across thirteen brain regions, including hundreds with cell type-associated features. These data reveal an expansive repertoire of highly regulated RNA editing sites across human brain cell types and provide a resolved atlas linking cell types to editing variation and genetic regulatory effects.

ABSTRACT The human cerebral cortex contains many cell types that likely underwent independent functional changes during evolution. However, cell type-specific regulatory landscapes in the cortex remain largely unexplored. Here we report epigenomic and transcriptomic analyses of the two main cortical neuronal subtypes, glutamatergic projection neurons and GABAergic interneurons, in human, chimpanzee and rhesus macaque. Using genome-wide profiling of the H3K27ac histone modification, we identify neuron-subtype-specific regulatory elements that previously went undetected in bulk brain tissue samples. Human-specific regulatory changes are uncovered in multiple genes, including those associated with language, autism spectrum disorder and drug addiction. We observe preferential evolutionary divergence in neuron-subtype-specific regulatory elements and show that a substantial fraction of pan-neuronal regulatory elements undergo subtype-specific evolutionary changes. This study sheds light on the interplay between regulatory evolution and cell-type-dependent gene expression programs, and provides a resource for further exploration of human brain evolution and function. SIGNIFICANCE The cerebral cortex of the human brain is a highly complex, heterogeneous tissue that contains many cell types which are exquisitely regulated at the level of gene expression by non-coding regulatory elements, presumably, in a cell-type-dependent manner. However, assessing the regulatory elements in individual cell types is technically challenging, and therefore, most of the previous studies on gene regulation were performed with bulk brain tissue. Here we analyze two major types of neurons isolated from the cerebral cortex of humans, chimpanzees and rhesus macaques, and report complex patterns of cell-type-specific evolution of the regulatory elements in numerous genes. Many genes with evolving regulation are implicated in language abilities as well as psychiatric disorders.

Epigenetic modifications of DNA regulate gene expression throughout the lifespan in neurons. Two major epigenetic pathways of repression, DNA methylation and Polycomb repressive complex 2 (PRC2) mediated gene silencing, regulate neuronal physiology and function, but their relative contributions are unknown. We found that conditional loss of the de novo DNA methyltransferase Dnmt3a in mouse excitatory neurons altered expression of synapse-related genes, impaired the maturation of postsynaptic dendritic spines and dampened neuronal excitability. These phenotypes were accompanied by working memory and social interest deficits. To elucidate the epigenetic mechanisms, we performed deep sequencing of DNA methylation, transcription, and chromatin modifications in cortical excitatory neurons. Loss of Dnmt3a abolished postnatal accumulation of CG and non-CG DNA methylation, leaving neurons with an unmethylated, fetal-like epigenomic pattern at ~140,000 genomic regions. The PRC2 associated histone modification H3K27me3 increased at many of these sites, partially compensating for the loss of DNA methylation. Our results suggest a complex interaction between two key modes of epigenetic repression of gene expression during brain development that supports cognitive function in adulthood.