High-throughput gene expression profiling has become an important tool for investigating transcriptional activity in a variety of biological samples. To date, the vast majority of these experiments have focused on specific biological processes and perturbations. Here, we have generated and analyzed gene expression from a set of samples spanning a broad range of biological conditions. Specifically, we profiled gene expression from 91 human and mouse samples across a diverse array of tissues, organs, and cell lines. Because these samples predominantly come from the normal physiological state in the human and mouse, this dataset represents a preliminary, but substantial, description of the normal mammalian transcriptome. We have used this dataset to illustrate methods of mining these data, and to reveal insights into molecular and physiological gene function, mechanisms of transcriptional regulation, disease etiology, and comparative genomics. Finally, to allow the scientific community to use this resource, we have built a free and publicly accessible website ( http://expression.gnf.org ) that integrates data visualization and curation of current gene annotations.

Human Immunodeficiency Viruses (HIV-1 and HIV-2) rely upon host-encoded proteins to facilitate their replication. Here, we combined genome-wide siRNA analyses with interrogation of human interactome databases to assemble a host-pathogen biochemical network containing 213 confirmed host cellular factors and 11 HIV-1-encoded proteins. Protein complexes that regulate ubiquitin conjugation, proteolysis, DNA-damage response, and RNA splicing were identified as important modulators of early-stage HIV-1 infection. Additionally, over 40 new factors were shown to specifically influence the initiation and/or kinetics of HIV-1 DNA synthesis, including cytoskeletal regulatory proteins, modulators of posttranslational modification, and nucleic acid-binding proteins. Finally, 15 proteins with diverse functional roles, including nuclear transport, prostaglandin synthesis, ubiquitination, and transcription, were found to influence nuclear import or viral DNA integration. Taken together, the multiscale approach described here has uncovered multiprotein virus-host interactions that likely act in concert to facilitate the early steps of HIV-1 infection.

Two genome-wide RNA interference screens published in this issue identify human host factors required for influenza A virus replication in lung epithelia cell lines. König et al. identify 295 host genes required for influenza replication. Of those, 219 are required for efficient wild-type virus growth, and 23 are required for viral entry. Karlas et al. report the discovery of 287 host genes influencing virus replication. An independent assay confirmed 168 hits (59%) inhibiting either the endemic H1N1 (119 hits) or the current pandemic swine-origin (121 hits) influenza A virus strains, with an overlap of 60%. These studies should provide a number of potential targets for host factor-directed antivirals for treatment of influenza viral infection. The small coding capacity of the influenza A virus demands that the virus use the host cellular machinery for many aspects of its life cycle. An integrated systems approach, based on genome-wide RNA interference screening, is now used to identify 295 cellular cofactors required for early-stage influenza virus replication. Knowledge of these host cell requirements provides further targets that could be pursued for antiviral drug development. Influenza A virus is an RNA virus that encodes up to 11 proteins and this small coding capacity demands that the virus use the host cellular machinery for many aspects of its life cycle1. Knowledge of these host cell requirements not only informs us of the molecular pathways exploited by the virus but also provides further targets that could be pursued for antiviral drug development. Here we use an integrative systems approach, based on genome-wide RNA interference screening, to identify 295 cellular cofactors required for early-stage influenza virus replication. Within this group, those involved in kinase-regulated signalling, ubiquitination and phosphatase activity are the most highly enriched, and 181 factors assemble into a highly significant host–pathogen interaction network. Moreover, 219 of the 295 factors were confirmed to be required for efficient wild-type influenza virus growth, and further analysis of a subset of genes showed 23 factors necessary for viral entry, including members of the vacuolar ATPase (vATPase) and COPI-protein families, fibroblast growth factor receptor (FGFR) proteins, and glycogen synthase kinase 3 (GSK3)-β. Furthermore, 10 proteins were confirmed to be involved in post-entry steps of influenza virus replication. These include nuclear import components, proteases, and the calcium/calmodulin-dependent protein kinase (CaM kinase) IIβ (CAMK2B). Notably, growth of swine-origin H1N1 influenza virus is also dependent on the identified host factors, and we show that small molecule inhibitors of several factors, including vATPase and CAMK2B, antagonize influenza virus replication.

Specificity of protein ubiquitylation is conferred by E3 ubiquitin (Ub) ligases. We have annotated ∼617 putative E3s and substrate-recognition subunits of E3 complexes encoded in the human genome. The limited knowledge of the function of members of the large E3 superfamily prompted us to generate genome-wide E3 cDNA and RNAi expression libraries designed for functional screening. An imaging-based screen using these libraries to identify E3s that regulate mitochondrial dynamics uncovered MULAN/FLJ12875, a RING finger protein whose ectopic expression and knockdown both interfered with mitochondrial trafficking and morphology. We found that MULAN is a mitochondrial protein – two transmembrane domains mediate its localization to the organelle's outer membrane. MULAN is oriented such that its E3-active, C-terminal RING finger is exposed to the cytosol, where it has access to other components of the Ub system. Both an intact RING finger and the correct subcellular localization were required for regulation of mitochondrial dynamics, suggesting that MULAN's downstream effectors are proteins that are either integral to, or associated with, mitochondria and that become modified with Ub. Interestingly, MULAN had previously been identified as an activator of NF-κB, thus providing a link between mitochondrial dynamics and mitochondria-to-nucleus signaling. These findings suggest the existence of a new, Ub-mediated mechanism responsible for integration of mitochondria into the cellular environment.

Noncoding RNA molecules (ncRNAs) have been implicated in numerous biological processes including transcriptional regulation and the modulation of protein function. Yet, in spite of the apparent abundance of ncRNA, little is known about the biological role of the projected thousands of ncRNA genes present in the human genome. To facilitate functional analysis of these RNAs, we have created an arrayed library of short hairpin RNAs (shRNAs) directed against 512 evolutionarily conserved putative ncRNAs and, via cell-based assays, we have begun to determine their roles in cellular pathways. Using this system, we have identified an ncRNA repressor of the nuclear factor of activated T cells (NFAT), which interacts with multiple proteins including members of the importin-beta superfamily and likely functions as a specific regulator of NFAT nuclear trafficking.

The blood proteome in disease Understanding the function of human blood serum proteins in disease has been limited by difficulties in monitoring their production, accumulation, and distribution. Emilsson et al. investigated human serum proteins of more than 5000 Icelanders over the age of 65. The composition of blood serum includes a complex regulatory network of proteins that are globally coordinated across most or all tissues. The authors identified modules and functional groups associated with disease and health outcomes and were able to link genetic variants to complex diseases. Science , this issue p. 769

Maintenance of a constant cell volume in response to extracellular or intracellular osmotic changes is critical for cellular homeostasis. Activation of a ubiquitous volume-regulated anion channel (VRAC) plays a key role in this process; however, its molecular identity in vertebrates remains unknown. Here, we used a cell-based fluorescence assay and performed a genome-wide RNAi screen to find components of VRAC. We identified SWELL1 (LRRC8A), a member of a four-transmembrane protein family with unknown function, as essential for hypotonicity-induced iodide influx. SWELL1 is localized to the plasma membrane, and its knockdown dramatically reduces endogenous VRAC currents and regulatory cell volume decrease in various cell types. Furthermore, point mutations in SWELL1 cause a significant change in VRAC anion selectivity, demonstrating that SWELL1 is an essential VRAC component. These findings enable further molecular characterization of the VRAC channel complex and genetic studies for understanding the function of VRAC in normal physiology and disease.

Highlights•Design of a novel high-throughput assay for cellular mechanosensation•An RNAi screen identifies GPR68 as a mechanosensor•GPR68 is necessary and sufficient for responses to fluid shear stress•GPR68 is required for flow-induced dilation and remodeling in miceSummaryMechanotransduction plays a crucial role in vascular biology. One example of this is the local regulation of vascular resistance via flow-mediated dilation (FMD). Impairment of this process is a hallmark of endothelial dysfunction and a precursor to a wide array of vascular diseases, such as hypertension and atherosclerosis. Yet the molecules responsible for sensing flow (shear stress) within endothelial cells remain largely unknown. We designed a 384-well screening system that applies shear stress on cultured cells. We identified a mechanosensitive cell line that exhibits shear stress-activated calcium transients, screened a focused RNAi library, and identified GPR68 as necessary and sufficient for shear stress responses. GPR68 is expressed in endothelial cells of small-diameter (resistance) arteries. Importantly, Gpr68-deficient mice display markedly impaired acute FMD and chronic flow-mediated outward remodeling in mesenteric arterioles. Therefore, GPR68 is an essential flow sensor in arteriolar endothelium and is a critical signaling component in cardiovascular pathophysiology.Graphical abstract

A deeper understanding of the molecular processes underlying late-onset Alzheimer's disease (LOAD) could aid in biomarker and drug target discovery. Using high-throughput serum proteomics in the prospective population-based Age, Gene/Environment Susceptibility–Reykjavik Study (AGES) cohort of 5,127 older Icelandic adults (mean age, 76.6 ± 5.6 years), we identified 303 proteins associated with incident LOAD over a median follow-up of 12.8 years. Over 40% of these proteins were associated with LOAD independently of APOE-ε4 carrier status, were implicated in neuronal processes and overlapped with LOAD protein signatures in brain and cerebrospinal fluid. We identified 17 proteins whose associations with LOAD were strongly dependent on APOE-ε4 carrier status, with mostly consistent associations in cerebrospinal fluid. Remarkably, four of these proteins (TBCA, ARL2, S100A13 and IRF6) were downregulated by APOE-ε4 yet upregulated due to LOAD, a finding replicated in external cohorts and possibly reflecting a response to disease onset. These findings highlight dysregulated pathways at the preclinical stages of LOAD, including those both independent of and dependent on APOE-ε4 status. Using high-throughput proteomics in a prospective population-based study of older adults, Frick et al. identified over 300 proteins linked to incident late-onset Alzheimer's disease, including associations dependent on or independent of APOE-ε4 status.