Regulated transcription controls the diversity, developmental pathways and spatial organization of the hundreds of cell types that make up a mammal. Using single-molecule cDNA sequencing, we mapped transcription start sites (TSSs) and their usage in human and mouse primary cells, cell lines and tissues to produce a comprehensive overview of mammalian gene expression across the human body. We find that few genes are truly ‘housekeeping’, whereas many mammalian promoters are composite entities composed of several closely separated TSSs, with independent cell-type-specific expression profiles. TSSs specific to different cell types evolve at different rates, whereas promoters of broadly expressed genes are the most conserved. Promoter-based expression analysis reveals key transcription factors defining cell states and links them to binding-site motifs. The functions of identified novel transcripts can be predicted by coexpression and sample ontology enrichment analyses. The functional annotation of the mammalian genome 5 (FANTOM5) project provides comprehensive expression profiles and functional annotation of mammalian cell-type-specific transcriptomes with wide applications in biomedical research. A study from the FANTOM consortium using single-molecule cDNA sequencing of transcription start sites and their usage in human and mouse primary cells, cell lines and tissues reveals insights into the specificity and diversity of transcription patterns across different mammalian cell types. FANTOM5 (standing for functional annotation of the mammalian genome 5) is the fifth major stage of a major international collaboration that aims to dissect the transcriptional regulatory networks that define every human cell type. Two Articles in this issue of Nature present some of the project's latest results. The first paper uses the FANTOM5 panel of tissue and primary cell samples to define an atlas of active, in vivo bidirectionally transcribed enhancers across the human body. These authors show that bidirectional capped RNAs are a signature feature of active enhancers and identify more than 40,000 enhancer candidates from over 800 human cell and tissue samples. The enhancer atlas is used to compare regulatory programs between different cell types and identify disease-associated regulatory SNPs, and will be a resource for studies on cell-type-specific enhancers. In the second paper, single-molecule sequencing is used to map human and mouse transcription start sites and their usage in a panel of distinct human and mouse primary cells, cell lines and tissues to produce the most comprehensive mammalian gene expression atlas to date. The data provide a plethora of insights into open reading frames and promoters across different cell types in addition to valuable annotation of mammalian cell-type-specific transcriptomes.

Only a small proportion of the mouse genome is transcribed into mature messenger RNA transcripts. There is an international collaborative effort to identify all full-length mRNA transcripts from the mouse, and to ensure that each is represented in a physical collection of clones. Here we report the manual annotation of 60,770 full-length mouse complementary DNA sequences. These are clustered into 33,409 ‘transcriptional units’, contributing 90.1% of a newly established mouse transcriptome database. Of these transcriptional units, 4,258 are new protein-coding and 11,665 are new non-coding messages, indicating that non-coding RNA is a major component of the transcriptome. 41% of all transcriptional units showed evidence of alternative splicing. In protein-coding transcripts, 79% of splice variations altered the protein product. Whole-transcriptome analyses resulted in the identification of 2,431 sense–antisense pairs. The present work, completely supported by physical clones, provides the most comprehensive survey of a mammalian transcriptome so far, and is a valuable resource for functional genomics.

The RIKEN Mouse Gene Encyclopaedia Project, a systematic approach to determining the full coding potential of the mouse genome, involves collection and sequencing of full-length complementary DNAs and physical mapping of the corresponding genes to the mouse genome. We organized an international functional annotation meeting (FANTOM) to annotate the first 21,076 cDNAs to be analysed in this project. Here we describe the first RIKEN clone collection, which is one of the largest described for any organism. Analysis of these cDNAs extends known gene families and identifies new ones.

Long non-coding RNAs (lncRNAs) constitute the majority of transcripts in mammalian genomes and yet, their functions remain largely unknown. We systematically suppressed 285 lncRNAs in human dermal fibroblasts and quantified cellular growth, morphological changes, and transcriptomic responses using Capped Analysis of Gene Expression (CAGE). The resulting transcriptomic profiles recapitulated the observed cellular phenotypes, yielding specific roles for over 40% of analyzed lncRNAs in regulating distinct biological pathways, transcriptional machinery, alternative promoter activity and architecture usage. Overall, combining cellular and molecular profiling provided a powerful approach to unravel the distinct functions of lncRNAs, which we highlight with specific functional roles for ZNF213-AS1 and lnc-KHDC3L-2 .