Protein–RNA interactions have critical roles in all aspects of gene expression. However, applying biochemical methods to understand such interactions in living tissues has been challenging. Here we develop a genome-wide means of mapping protein–RNA binding sites in vivo, by high-throughput sequencing of RNA isolated by crosslinking immunoprecipitation (HITS-CLIP). HITS-CLIP analysis of the neuron-specific splicing factor Nova revealed extremely reproducible RNA-binding maps in multiple mouse brains. These maps provide genome-wide in vivo biochemical footprints confirming the previous prediction that the position of Nova binding determines the outcome of alternative splicing; moreover, they are sufficiently powerful to predict Nova action de novo. HITS-CLIP revealed a large number of Nova–RNA interactions in 3′ untranslated regions, leading to the discovery that Nova regulates alternative polyadenylation in the brain. HITS-CLIP, therefore, provides a robust, unbiased means to identify functional protein–RNA interactions in vivo. When the human genome was decoded, the lower than expected number of genes prompted renewed interest in alternative splicing — a mechanism by which more than one protein is made from a single gene. Licatalosi et al. have developed an unbiased, genome-wide method to characterize RNA–protein binding interactions in living tissue, and demonstrate its potential by applying it to the mammalian brain. They characterize the binding sites of the neuronal alternative splicing regulator, Nova, and make the unexpected discovery that it may have an additional function in regulating alternative polyadenylation. In a separate study, Wang et al. used deep sequencing of mRNAs to study alternative splicing in various human tissues and cancers. By mapping sequence reads to splice junctions, they show that alternative splicing is essentially universal in human multi-exon genes. They also show that alternative splicing is mechanistically linked to mRNA polyadenylation. Recent studies have indicated that a cell's proteome is significantly larger than the number of protein-coding genes due to extensive alternative splicing. This study describes an unbiased, genome-wide method to characterize RNA-protein binding interactions in vivo. The binding sites of the neuron-specific splicing factor Nova are characterized with the unexpected result that Nova may have an additional function in regulating alternative polyadenylation as well.

Abstract Background Alternative splicing is a mechanism for increasing protein diversity by excluding or including exons during post-transcriptional processing. Alternatively spliced proteins are particularly relevant in oncology since they may contribute to the etiology of cancer, provide selective drug targets, or serve as a marker set for cancer diagnosis. While conventional identification of splice variants generally targets individual genes, we present here a new exon-centric array (GeneChip Human Exon 1.0 ST) that allows genome-wide identification of differential splice variation, and concurrently provides a flexible and inclusive analysis of gene expression. Results We analyzed 20 paired tumor-normal colon cancer samples using a microarray designed to detect over one million putative exons that can be virtually assembled into potential gene-level transcripts according to various levels of prior supporting evidence. Analysis of high confidence (empirically supported) transcripts identified 160 differentially expressed genes, with 42 genes occupying a network impacting cell proliferation and another twenty nine genes with unknown functions. A more speculative analysis, including transcripts based solely on computational prediction, produced another 160 differentially expressed genes, three-fourths of which have no previous annotation. We also present a comparison of gene signal estimations from the Exon 1.0 ST and the U133 Plus 2.0 arrays. Novel splicing events were predicted by experimental algorithms that compare the relative contribution of each exon to the cognate transcript intensity in each tissue. The resulting candidate splice variants were validated with RT-PCR. We found nine genes that were differentially spliced between colon tumors and normal colon tissues, several of which have not been previously implicated in cancer. Top scoring candidates from our analysis were also found to substantially overlap with EST-based bioinformatic predictions of alternative splicing in cancer. Conclusion Differential expression of high confidence transcripts correlated extremely well with known cancer genes and pathways, suggesting that the more speculative transcripts, largely based solely on computational prediction and mostly with no previous annotation, might be novel targets in colon cancer. Five of the identified splicing events affect mediators of cytoskeletal organization (ACTN1, VCL, CALD1, CTTN, TPM1), two affect extracellular matrix proteins (FN1, COL6A3) and another participates in integrin signaling (SLC3A2). Altogether they form a pattern of colon-cancer specific alterations that may particularly impact cell motility.

Age is the most important risk factor for neurodegeneration; however, the effects of aging and neurodegeneration on gene expression in the human brain have most often been studied separately. Here, we analyzed changes in transcript levels and alternative splicing in the temporal cortex of individuals of different ages who were cognitively normal, affected by frontotemporal lobar degeneration (FTLD), or affected by Alzheimer's disease (AD). We identified age-related splicing changes in cognitively normal individuals and found that these were present also in 95% of individuals with FTLD or AD, independent of their age. These changes were consistent with increased polypyrimidine tract binding protein (PTB)–dependent splicing activity. We also identified disease-specific splicing changes that were present in individuals with FTLD or AD, but not in cognitively normal individuals. These changes were consistent with the decreased neuro-oncological ventral antigen (NOVA)–dependent splicing regulation, and the decreased nuclear abundance of NOVA proteins. As expected, a dramatic down-regulation of neuronal genes was associated with disease, whereas a modest down-regulation of glial and neuronal genes was associated with aging. Whereas our data indicated that the age-related splicing changes are regulated independently of transcript-level changes, these two regulatory mechanisms affected expression of genes with similar functions, including metabolism and DNA repair. In conclusion, the alternative splicing changes identified in this study provide a new link between aging and neurodegeneration.