Structural variants are implicated in numerous diseases and make up the majority of varying nucleotides among human genomes. Here we describe an integrated set of eight structural variant classes comprising both balanced and unbalanced variants, which we constructed using short-read DNA sequencing data and statistically phased onto haplotype blocks in 26 human populations. Analysing this set, we identify numerous gene-intersecting structural variants exhibiting population stratification and describe naturally occurring homozygous gene knockouts that suggest the dispensability of a variety of human genes. We demonstrate that structural variants are enriched on haplotypes identified by genome-wide association studies and exhibit enrichment for expression quantitative trait loci. Additionally, we uncover appreciable levels of structural variant complexity at different scales, including genic loci subject to clusters of repeated rearrangement and complex structural variants with multiple breakpoints likely to have formed through individual mutational events. Our catalogue will enhance future studies into structural variant demography, functional impact and disease association. The Structural Variation Analysis Group of The 1000 Genomes Project reports an integrated structural variation map based on discovery and genotyping of eight major structural variation classes in 2,504 unrelated individuals from across 26 populations; structural variation is compared within and between populations and its functional impact is quantified. The Structural Variation Analysis Group of The 1000 Genomes Project reports an integrated structural variation map based on discovery and genotyping of eight major structural variation classes in genomes for 2,504 unrelated individuals from across 26 populations. They characterize structural variation within and between populations and quantify its functional effect. The authors further create a phased reference panel that will be valuable for population genetic and disease association studies.

New types of small RNAs distinct from microRNAs (miRNAs) are progressively being discovered in various organisms. In order to discover such novel small RNAs, a library of 17- to 26-base-long RNAs was created from prostate cancer cell lines and sequenced by ultra-high-throughput sequencing. A significant number of the sequences are derived from precise processing at the 5' or 3' end of mature or precursor tRNAs to form three series of tRFs (tRNA-derived RNA fragments): the tRF-5, tRF-3, and tRF-1 series. These sequences constitute a class of short RNAs that are second most abundant to miRNAs. Northern hybridization, quantitative RT-PCR, and splinted ligation assays independently measured the levels of at least 17 tRFs. To demonstrate the biological importance of tRFs, we further investigated tRF-1001, derived from the 3' end of a Ser-TGA tRNA precursor transcript that is not retained in the mature tRNA. tRF-1001 is expressed highly in a wide range of cancer cell lines but much less in tissues, and its expression in cell lines was tightly correlated with cell proliferation. siRNA-mediated knockdown of tRF-1001 impaired cell proliferation with the specific accumulation of cells in G2, phenotypes that were reversed specifically by cointroducing a synthetic 2'-O-methyl tRF-1001 oligoribonucleotide resistant to the siRNA. tRF-1001 is generated in the cytoplasm by tRNA 3'-endonuclease ELAC2, a prostate cancer susceptibility gene. Our data suggest that tRFs are not random by-products of tRNA degradation or biogenesis, but an abundant and novel class of short RNAs with precise sequence structure that have specific expression patterns and specific biological roles.

The incomplete identification of structural variants (SVs) from whole-genome sequencing data limits studies of human genetic diversity and disease association. Here, we apply a suite of long-read, short-read, strand-specific sequencing technologies, optical mapping, and variant discovery algorithms to comprehensively analyze three trios to define the full spectrum of human genetic variation in a haplotype-resolved manner. We identify 818,054 indel variants (<50 bp) and 27,622 SVs (≥50 bp) per genome. We also discover 156 inversions per genome and 58 of the inversions intersect with the critical regions of recurrent microdeletion and microduplication syndromes. Taken together, our SV callsets represent a three to sevenfold increase in SV detection compared to most standard high-throughput sequencing studies, including those from the 1000 Genomes Project. The methods and the dataset presented serve as a gold standard for the scientific community allowing us to make recommendations for maximizing structural variation sensitivity for future genome sequencing studies.

Three muscle-specific microRNAs, miR-206, -1, and -133, are induced during differentiation of C2C12 myoblasts in vitro. Transfection of miR-206 promotes differentiation despite the presence of serum, whereas inhibition of the microRNA by antisense oligonucleotide inhibits cell cycle withdrawal and differentiation, which are normally induced by serum deprivation. Among the many mRNAs that are down-regulated by miR-206, the p180 subunit of DNA polymerase α and three other genes are shown to be direct targets. Down-regulation of the polymerase inhibits DNA synthesis, an important component of the differentiation program. The direct targets are decreased by mRNA cleavage that is dependent on predicted microRNA target sites. Unlike small interfering RNA–directed cleavage, however, the 5′ ends of the cleavage fragments are distributed and not confined to the target sites, suggesting involvement of exonucleases in the degradation process. In addition, inhibitors of myogenic transcription factors, Id1-3 and MyoR, are decreased upon miR-206 introduction, suggesting the presence of additional mechanisms by which microRNAs enforce the differentiation program.

Abstract The clustered regularly interspaced short palindromic repeat (CRISPR)/CRISPR-associated protein (Cas) system is an adaptive immune system in bacteria and archaea that has recently been exploited for genome engineering. Mutant mice can be generated in one step through direct delivery of the CRISPR/Cas9 components into a mouse zygote. Although the technology is robust, delivery remains a bottleneck, as it involves manual injection of the components into the pronuclei or the cytoplasm of mouse zygotes, which is technically demanding and inherently low throughput. To overcome this limitation, we employed electroporation as a means to deliver the CRISPR/Cas9 components, including Cas9 messenger RNA, single-guide RNA, and donor oligonucleotide, into mouse zygotes and recovered live mice with targeted nonhomologous end joining and homology-directed repair mutations with high efficiency. Our results demonstrate that mice carrying CRISPR/Cas9-mediated targeted mutations can be obtained with high efficiency by zygote electroporation.

Abstract MicroRNAs (miRNA) have been globally profiled in cancers but there tends to be poor agreement between studies including in the same cancers. In addition, few putative miRNA targets have been validated. To overcome the lack of reproducibility, we profiled miRNAs by next generation sequencing and locked nucleic acid miRNA microarrays and verified concordant changes by quantitative RT-PCR. Notably, miR-125b and the miR-99 family members miR-99a, -99b, and -100 were downregulated in all assays in advanced prostate cancer cell lines relative to the parental cell lines from which they were derived. All four miRNAs were also downregulated in human prostate tumor tissue compared with normal prostate. Transfection of miR-99a, -99b, or -100 inhibited the growth of prostate cancer cells and decreased the expression of prostate-specific antigen (PSA), suggesting potential roles as tumor suppressors in this setting. To identify targets of these miRNAs, we combined computational prediction of potential targets with experimental validation by microarray and polyribosomal loading analysis. Three direct targets of the miR-99 family that were validated in this manner were the chromatin-remodeling factors SMARCA5 and SMARCD1 and the growth regulatory kinase mTOR. We determined that PSA is posttranscriptionally regulated by the miR-99 family members, at least partially, by repression of SMARCA5. Together, our findings suggest key functions and targets of miR-99 family members in prostate cancer suppression and prognosis. Cancer Res; 71(4); 1313–24. ©2011 AACR.

ABSTRACT The incomplete identification of structural variants (SVs) from whole-genome sequencing data limits studies of human genetic diversity and disease association. Here, we apply a suite of long-read, short-read, and strand-specific sequencing technologies, optical mapping, and variant discovery algorithms to comprehensively analyze three human parent–child trios to define the full spectrum of human genetic variation in a haplotype-resolved manner. We identify 818,054 indel variants (<50 bp) and 27,622 SVs (≥50 bp) per human genome. We also discover 156 inversions per genome—most of which previously escaped detection. Fifty-eight of the inversions we discovered intersect with the critical regions of recurrent microdeletion and microduplication syndromes. Taken together, our SV callsets represent a sevenfold increase in SV detection compared to most standard high-throughput sequencing studies, including those from the 1000 Genomes Project. The method and the dataset serve as a gold standard for the scientific community and we make specific recommendations for maximizing structural variation sensitivity for future large-scale genome sequencing studies.

Common treatment approaches for triple-negative breast cancer (TNBC) are associated with severe side effects due to the unfavorable biodistribution profile of potent chemotherapeutics. Here, we explored the potential of TNBC-targeting aptamer-decorated porous silicon nanoparticles (pSiNPs) as targeted nanocarriers for TNBC. A "salt-aging" strategy was employed to fabricate a TNBC-targeting aptamer functionalized pSiNP that was highly colloidally stable. Doxorubicin (Dox) was efficiently loaded into nanoparticles (179 ± 5 μg/mg of pSiNP) and experienced pH-dependent release kinetics. Further experiments highlighted that clathrin-mediated endocytosis was the primary route that aptamer-pSiNP conjugates take to enter the endolysosomal compartment of the MCF10Ca1h TNBC cells. A time-interval colocalization study shows the accumulation of an aptamer-decorated pSiNP conjugate in the lysosomes of TNBC cells, unlike for antibody-decorated pSiNPs, leading to particle-induced lysosomal swelling and membrane destabilization. Dox-loaded aptamer-pSiNPs efficiently reduced the viability of the TNBC cells (11.8 ± 1.5%) compared to nontargeted nanoparticles (58.2 ± 8.8%) while the developed system showed a low level of toxicity in healthy cells, both in vitro and in vivo. These findings have laid the foundation for further investigating the potential of aptamer-pSiNP conjugates as a targeted treatment strategy in preclinical TNBC models.