Abstract Regulation of gene expression is arguably the main mechanism contributing to tissue phenotypic diversity within and between species. Here, we assembled an extensive transcriptomic dataset covering twenty bilaterian species and eight tissues, selecting a specular phylogeny that allowed both the combined and parallel investigation of gene expression evolution between vertebrates and insects. We specifically focused on widely conserved ancestral genes, identifying strong cores of pan-bilaterian tissue-specific genes and even larger groups that diverged to define vertebrate and insect tissues. Systematic inferences of tissue-specificity gains and losses show that nearly half of all ancestral genes have been recruited into tissue-specific transcriptomes. This occurred during both ancient and, especially, recent bilaterian evolution, with several gains being associated with the emergence of unique phenotypes. Such pervasive evolution of tissue-specificity was linked to gene duplication coupled with specialization, including an unappreciated prolonged effect of whole genome duplications during recent vertebrate evolution.

Single cell RNA sequencing (scRNA-seq) is revolutionizing the study of complex biological systems. However, most sequencing studies overlook the contribution of transposable element (TE) expression to the transcriptome. In both scRNA-seq and bulk tissue RNA sequencing (RNA-seq), quantification of TE expression is challenging due to repetitive sequence content and poorly characterized TE gene models. Here, we developed a tool and analysis pipeline for Single cell Transposable Element Locus Level Analysis of scRNA Sequencing (Stellarscope) that reassigns multi-mapped reads to specific genomic loci using an expectation-maximization algorithm. Using Stellarscope, we built an atlas of TE expression in human PBMCs. We found that locus-specific TEs delineate cell types and define new cell subsets not identified by standard mRNA expression profiles. Altogether, this study provides comprehensive insights into the influence of transposable elements in human biology.

Less than 0.5% of people living with HIV-1 are elite controllers (ECs) - individuals who have a replication-competent viral reservoir in their CD4+ T cells but maintain undetectable plasma viremia without the help of antiretroviral therapy. While the EC CD4+ T cell transcriptome has been investigated for gene expression signatures associated with disease progression (or, in this case, a lack thereof), the expression and regulatory activity of transposable elements (TEs) in ECs has not been explored. Yet previous studies have established that TEs can directly impact the immune response to pathogens, including HIV-1. Thus, we hypothesize that the regulatory activities of TEs could contribute to the natural resistance of ECs against HIV-1. We perform a TE-centric analysis of previously published multi-omics data derived from EC individuals and other populations. We find that the CD4+ T cell transcriptome and retrotranscriptome of ECs are distinct from healthy controls, treated patients, and viremic progressors. However, there is a substantial level of transcriptomic heterogeneity among ECs. We categorize individuals with distinct chromatin accessibility and expression profiles into four clusters within the EC group, each possessing unique repertoires of TEs and antiviral factors. Notably, several TE families with known immuno-regulatory activity are differentially expressed among ECs. Their transcript levels in ECs positively correlate with their chromatin accessibility and negatively correlate with the expression of their KRAB zinc-finger (KZNF) repressors. This coordinated variation is seen at the level of individual TE loci likely acting or, in some cases, known to act as cis-regulatory elements for nearby genes involved in the immune response and HIV-1 restriction. Based on these results, we propose that the EC phenotype is driven in part by the reduced availability of specific KZNF proteins to repress TE-derived cis-regulatory elements for antiviral genes, thereby heightening their basal level of resistance to HIV-1 infection. Our study reveals considerable heterogeneity in the CD4+ T cell transcriptome of ECs, including variable expression of TEs and their KZNF controllers, that must be taken into consideration to decipher the mechanisms enabling HIV-1 control.

Characterization of Human Endogenous Retrovirus (HERV) expression within the transcriptomic landscape using RNA-seq is complicated by uncertainty in fragment assignment because of sequence similarity. We present Telescope, a computational software tool that provides accurate estimation of transposable element expression (retrotranscriptome) resolved to specific genomic locations. Telescope directly addresses uncertainty in fragment assignment by reassigning ambiguously mapped fragments to the most probable source transcript as determined within a Bayesian statistical model. We demonstrate the utility of our approach through single locus analysis of HERV expression in 13 ENCODE cell types. When examined at this resolution, we find that the magnitude and breadth of the retrotranscriptome can be vastly different among cell types. Furthermore, our approach is robust to differences in sequencing technology, and demonstrates that the retrotranscriptome has potential to be used for cell type identification. Telescope performs highly accurate quantification of the retrotranscriptomic landscape in RNA-seq experiments, revealing a differential complexity in the transposable element biology of complex systems not previously observed. Telescope is available at github.com/mlbendall/telescope.

Actin cytoskeleton dynamics is crucial for neurogenesis and neuronal function. Precise quantitative and qualitative regulation of actin polymerization is achieved by multiple actin-binding proteins, among which formins are particularly versatile. Here, we investigate how neuronal-specific splicing expands formin's functional diversity in the brain. We uncovered a highly conserved microexon in DAAM1, whose inclusion extends the linker region of the FH2 domain, and leads to remarkable changes in actin polymerization rates and structure. Microexon deletion causes neuritogenesis defects and increased calcium influx in in vitro differentiated neurons, and mice carrying this deletion exhibit deficient memory formation. These memory defects were associated with higher activity of DAAM1's interactor RhoA, increased ARC protein levels, postsynaptic deficiencies, fewer dendritic spines and impaired long-term potentiation. In summary, precise post-transcriptional regulation of DAAM1's FH2 domain is a novel mechanism for modulating actin dynamics in neurons, and is essential for proper brain function.

Abstract Pancreatic islets control glucose homeostasis by the balanced secretion of insulin and other hormones, and their abnormal function causes diabetes or hypoglycemia. Here, we uncover a conserved program of alternative microexons included in mRNAs of islet cells, particularly in genes involved in vesicle transport and exocytosis. Islet microexons (IsletMICs) are regulated by the RNA binding protein SRRM3 and represent a subset of the larger neural program that are particularly sensitive to the levels of this regulator. Both SRRM3 and IsletMICs are induced by elevated glucose levels, and depletion of SRRM3 in beta cell lines and mouse islets, or repression of particular IsletMICs using antisense oligonucleotides, leads to inappropriate insulin secretion. Consistently, SRRM3 mutant mice display defects in islet cell identity and function, leading to hyperinsulinemic hypoglycemia. Importantly, human genetic variants that influence SRRM3 expression and IsletMIC inclusion in islets are associated with fasting glucose variation and type 2 diabetes risk.