Various cis-regulatory functions of genomic loci that produce long non-coding RNAs are revealed, including instances where their promoters have enhancer-like activity and the lncRNA transcripts themselves are not required for activity. Since the discovery of pervasive transcription of long non-coding RNAs (lncRNAs) in mammalian genomes, there has been pressure to determine their functions. Here, Eric Lander and colleagues use a CRISPR/Cas9 deletion approach to uncover various cis-regulatory functions of lncRNAs, including instances in which their promoters have enhancer-like activity and the lncRNA transcripts themselves are often not required for activity. Such effects on neighbouring genes are also seen for protein-coding loci. Mammalian genomes are pervasively transcribed1,2 to produce thousands of long non-coding RNAs (lncRNAs)3,4. A few of these lncRNAs have been shown to recruit regulatory complexes through RNA–protein interactions to influence the expression of nearby genes5,6,7, and it has been suggested that many other lncRNAs can also act as local regulators8,9. Such local functions could explain the observation that lncRNA expression is often correlated with the expression of nearby genes2,10,11. However, these correlations have been challenging to dissect12 and could alternatively result from processes that are not mediated by the lncRNA transcripts themselves. For example, some gene promoters have been proposed to have dual functions as enhancers13,14,15,16, and the process of transcription itself may contribute to gene regulation by recruiting activating factors or remodelling nucleosomes10,17,18. Here we use genetic manipulation in mouse cell lines to dissect 12 genomic loci that produce lncRNAs and find that 5 of these loci influence the expression of a neighbouring gene in cis. Notably, none of these effects requires the specific lncRNA transcripts themselves and instead involves general processes associated with their production, including enhancer-like activity of gene promoters, the process of transcription, and the splicing of the transcript. Furthermore, such effects are not limited to lncRNA loci: we find that four out of six protein-coding loci also influence the expression of a neighbour. These results demonstrate that cross-talk among neighbouring genes is a prevalent phenomenon that can involve multiple mechanisms and cis-regulatory signals, including a role for RNA splice sites. These mechanisms may explain the function and evolution of some genomic loci that produce lncRNAs and broadly contribute to the regulation of both coding and non-coding genes.

Understanding Xist-ance Large noncoding RNAs (lncRNAs) are increasingly appreciated to play important roles in the cell. A number of lncRNAs act to target chromatin regulatory complexes to their sites of action. Engreitz et al. (p. 10.1126/science.1237973 , published online 4 July; see the Perspective by Dimond and Fraser ) found that the mouse Xist lncRNA, which initiates X-chromosome inactivation, was transferred from its site of transcription to distant sites on the X chromosome purely through their close three-dimensional proximity to the Xist gene. Xist initially localized to the periphery of active genes on the X chromosome but gradually spread across them using its A-repeat domain, until the Xist RNA bound broadly across the inactive X chromosome in differentiated female cells.

Pseudouridine is the most abundant RNA modification, yet except for a few well-studied cases, little is known about the modified positions and their function(s). Here, we develop Ψ-seq for transcriptome-wide quantitative mapping of pseudouridine. We validate Ψ-seq with spike-ins and de novo identification of previously reported positions and discover hundreds of unique sites in human and yeast mRNAs and snoRNAs. Perturbing pseudouridine synthases (PUS) uncovers which pseudouridine synthase modifies each site and their target sequence features. mRNA pseudouridinylation depends on both site-specific and snoRNA-guided pseudouridine synthases. Upon heat shock in yeast, Pus7p-mediated pseudouridylation is induced at >200 sites, and PUS7 deletion decreases the levels of otherwise pseudouridylated mRNA, suggesting a role in enhancing transcript stability. rRNA pseudouridine stoichiometries are conserved but reduced in cells from dyskeratosis congenita patients, where the PUS DKC1 is mutated. Our work identifies an enhanced, transcriptome-wide scope for pseudouridine and methods to dissect its underlying mechanisms and function.

The let-7 tumor suppressor microRNAs are known for their regulation of oncogenes, while the RNA-binding proteins Lin28a/b promote malignancy by inhibiting let-7 biogenesis. We have uncovered unexpected roles for the Lin28/let-7 pathway in regulating metabolism. When overexpressed in mice, both Lin28a and LIN28B promote an insulin-sensitized state that resists high-fat-diet induced diabetes. Conversely, muscle-specific loss of Lin28a or overexpression of let-7 results in insulin resistance and impaired glucose tolerance. These phenomena occur, in part, through the let-7-mediated repression of multiple components of the insulin-PI3K-mTOR pathway, including IGF1R, INSR, and IRS2. In addition, the mTOR inhibitor, rapamycin, abrogates Lin28a-mediated insulin sensitivity and enhanced glucose uptake. Moreover, let-7 targets are enriched for genes containing SNPs associated with type 2 diabetes and control of fasting glucose in human genome-wide association studies. These data establish the Lin28/let-7 pathway as a central regulator of mammalian glucose metabolism.

Enhancer elements in the human genome control how genes are expressed in specific cell types and harbor thousands of genetic variants that influence risk for common diseases1–4. Yet, we still do not know how enhancers regulate specific genes, and we lack general rules to predict enhancer–gene connections across cell types5,6. We developed an experimental approach, CRISPRi-FlowFISH, to perturb enhancers in the genome, and we applied it to test >3,500 potential enhancer–gene connections for 30 genes. We found that a simple activity-by-contact model substantially outperformed previous methods at predicting the complex connections in our CRISPR dataset. This activity-by-contact model allows us to construct genome-wide maps of enhancer–gene connections in a given cell type, on the basis of chromatin state measurements. Together, CRISPRi-FlowFISH and the activity-by-contact model provide a systematic approach to map and predict which enhancers regulate which genes, and will help to interpret the functions of the thousands of disease risk variants in the noncoding genome. Combining CRISPRi-FlowFISH to perturb enhancers with an activity-by-contact model to predict complex connections allows systematic mapping of enhancer–gene connections in a given cell type, on the basis of chromatin-state measurements.

COVID-19, which is caused by SARS-CoV-2, can result in acute respiratory distress syndrome and multiple organ failure1–4, but little is known about its pathophysiology. Here we generated single-cell atlases of 24 lung, 16 kidney, 16 liver and 19 heart autopsy tissue samples and spatial atlases of 14 lung samples from donors who died of COVID-19. Integrated computational analysis uncovered substantial remodelling in the lung epithelial, immune and stromal compartments, with evidence of multiple paths of failed tissue regeneration, including defective alveolar type 2 differentiation and expansion of fibroblasts and putative TP63+ intrapulmonary basal-like progenitor cells. Viral RNAs were enriched in mononuclear phagocytic and endothelial lung cells, which induced specific host programs. Spatial analysis in lung distinguished inflammatory host responses in lung regions with and without viral RNA. Analysis of the other tissue atlases showed transcriptional alterations in multiple cell types in heart tissue from donors with COVID-19, and mapped cell types and genes implicated with disease severity based on COVID-19 genome-wide association studies. Our foundational dataset elucidates the biological effect of severe SARS-CoV-2 infection across the body, a key step towards new treatments. Single-cell analysis of lung, heart, kidney and liver autopsy samples shows the molecular and cellular changes and immune response resulting from severe COVID-19 infection.

A long intergenic noncoding RNA, Firre, is now shown to localize to a domain across its own chromosomal locus and to distinct interacting transchromosomal loci in mouse and human cells. In addition, Firre interacts with nuclear-matrix factor hnRNPU. These results lead to a model in which Firre functions as a nuclear-organization factor modulating the topological organization of multiple chromosomes. RNA, including long noncoding RNA (lncRNA), is known to be an abundant and important structural component of the nuclear matrix. However, the molecular identities, functional roles and localization dynamics of lncRNAs that influence nuclear architecture remain poorly understood. Here, we describe one lncRNA, Firre, that interacts with the nuclear-matrix factor hnRNPU through a 156-bp repeating sequence and localizes across an ~5-Mb domain on the X chromosome. We further observed Firre localization across five distinct trans-chromosomal loci, which reside in spatial proximity to the Firre genomic locus on the X chromosome. Both genetic deletion of the Firre locus and knockdown of hnRNPU resulted in loss of colocalization of these trans-chromosomal interacting loci. Thus, our data suggest a model in which lncRNAs such as Firre can interface with and modulate nuclear architecture across chromosomes.

Gene expression in mammals is regulated by noncoding elements that can affect physiology and disease, yet the functions and target genes of most noncoding elements remain unknown. We present a high-throughput approach that uses clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR) interference (CRISPRi) to discover regulatory elements and identify their target genes. We assess >1 megabase of sequence in the vicinity of two essential transcription factors, MYC and GATA1, and identify nine distal enhancers that control gene expression and cellular proliferation. Quantitative features of chromatin state and chromosome conformation distinguish the seven enhancers that regulate MYC from other elements that do not, suggesting a strategy for predicting enhancer-promoter connectivity. This CRISPRi-based approach can be applied to dissect transcriptional networks and interpret the contributions of noncoding genetic variation to human disease.

An immunotherapy consisting of a tumor-antigen targeting antibody, PD-1 blocking antibody, extended half-life recombinant IL-2 and a lymph-node-targeted T cell vaccine mobilized innate and adaptive immunity and eradicated large established tumors in a variety of mouse models. Checkpoint blockade with antibodies specific for cytotoxic T lymphocyte–associated protein (CTLA)-4 or programmed cell death 1 (PDCD1; also known as PD-1) elicits durable tumor regression in metastatic cancer, but these dramatic responses are confined to a minority of patients. This suboptimal outcome is probably due in part to the complex network of immunosuppressive pathways present in advanced tumors, which are unlikely to be overcome by intervention at a single signaling checkpoint. Here we describe a combination immunotherapy that recruits a variety of innate and adaptive immune cells to eliminate large tumor burdens in syngeneic tumor models and a genetically engineered mouse model of melanoma; to our knowledge tumors of this size have not previously been curable by treatments relying on endogenous immunity. Maximal antitumor efficacy required four components: a tumor-antigen-targeting antibody, a recombinant interleukin-2 with an extended half-life, anti-PD-1 and a powerful T cell vaccine. Depletion experiments revealed that CD8+ T cells, cross-presenting dendritic cells and several other innate immune cell subsets were required for tumor regression. Effective treatment induced infiltration of immune cells and production of inflammatory cytokines in the tumor, enhanced antibody-mediated tumor antigen uptake and promoted antigen spreading. These results demonstrate the capacity of an elicited endogenous immune response to destroy large, established tumors and elucidate essential characteristics of combination immunotherapies that are capable of curing a majority of tumors in experimental settings typically viewed as intractable.

Intermolecular RNA-RNA interactions are used by many noncoding RNAs (ncRNAs) to achieve their diverse functions. To identify these contacts, we developed a method based on RNA antisense purification to systematically map RNA-RNA interactions (RAP-RNA) and applied it to investigate two ncRNAs implicated in RNA processing: U1 small nuclear RNA, a component of the spliceosome, and Malat1, a large ncRNA that localizes to nuclear speckles. U1 and Malat1 interact with nascent transcripts through distinct targeting mechanisms. Using differential crosslinking, we confirmed that U1 directly hybridizes to 5′ splice sites and 5′ splice site motifs throughout introns and found that Malat1 interacts with pre-mRNAs indirectly through protein intermediates. Interactions with nascent pre-mRNAs cause U1 and Malat1 to localize proximally to chromatin at active genes, demonstrating that ncRNAs can use RNA-RNA interactions to target specific pre-mRNAs and genomic sites. RAP-RNA is sensitive to lower abundance RNAs as well, making it generally applicable for investigating ncRNAs.