Transcription and translation are two main pillars of gene expression. Due to the different timings, spots of action, and mechanisms of regulation, these processes are mainly regarded as distinct and generally uncoupled, despite serving a common purpose. Here, we sought for a possible connection between transcription and translation. Employing an unbiased screen of multiple human promoters, we identified a positive effect of TATA box on translation and a general coupling between mRNA expression and translational efficiency. Using a CRISPR-Cas9-mediated approach, genome-wide analyses, and in vitro experiments, we show that the rate of transcription regulates the efficiency of translation. Furthermore, we demonstrate that m6A modification of mRNAs is co-transcriptional and depends upon the dynamics of the transcribing RNAPII. Suboptimal transcription rates lead to elevated m6A content, which may result in reduced translation. This study uncovers a general and widespread link between transcription and translation that is governed by epigenetic modification of mRNAs.

Abstract Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is the cause of the ongoing coronavirus disease 19 (COVID-19) pandemic. Despite the urgent need, we still do not fully understand the molecular basis of SARS-CoV-2 pathogenesis and its ability to antagonize innate immune responses. Here, we use RNA-sequencing and ribosome profiling along SARS-CoV-2 infection and comprehensively define the mechanisms that are utilized by SARS-CoV-2 to shutoff cellular protein synthesis. We show SARS-CoV-2 infection leads to a global reduction in translation but that viral transcripts are not preferentially translated. Instead, we reveal that infection leads to accelerated degradation of cytosolic cellular mRNAs which facilitates viral takeover of the mRNA pool in infected cells. Moreover, we show that the translation of transcripts whose expression is induced in response to infection, including innate immune genes, is impaired, implying infection prevents newly transcribed cellular mRNAs from accessing the ribosomes. Overall, our results uncover the multipronged strategy employed by SARS-CoV-2 to commandeer the translation machinery and to suppress host defenses.

Abstract Translation of SARS-CoV-2-encoded mRNAs by the host ribosomes is essential for its propagation. Following infection, the early expressed viral protein NSP1 binds the ribosome, represseses translation and induces mRNA degradation, while the host elicits anti-viral response. The mechanisms enabling viral mRNAs to escape this multifaceted repression remain obscure. Here we show that expression of NSP1 leads to destabilization of multi-exon cellular mRNAs, while intron-less transcripts, such as viral mRNAs and anti-viral interferon genes, remain relatively stable. We identified a conserved and precisely located cap-proximal RNA element devoid of guanosines that confers resistance to NSP1-meidated translation inhibition. Importantly, the primary sequence rather than the secondary structure is critical for protection. We further show that the genomic 5’UTR of SARS-CoV-2 exhibits an IRES-like activity and promotes expression of NSP1 in an eIF4E-independent and Torin-1 resistant manner. Upon expression, NSP1 enhances cap-independent translation. However, the sub-genomic 5’UTRs are highly sensitive to eIF4E availability, rendering viral propagation partially sensitive to Torin-1. The combined NSP1-mediated degradation of spliced mRNAs and translation inhibition of single-exon genes, along with the unique features present in the viral 5’UTRs, ensure robust expression of viral mRNAs. These features can be exploited as potential therapeutic targets.

Abstract N6-methyladenosine (m6A), a widespread destabilizing mark on mRNA, is non-uniformly distributed across the transcriptome, yet the basis for its selective deposition is unknown. Here, we uncover that m6A deposition is not selective. Instead, m6A distribution is exclusion-based: m6A-consensus harboring sites are methylated by default, unless they are within a window of up to ∼200 nt from an exon-intron junction. A simple model, relying exclusively on presence of m6A motifs and exon-intron architecture allows high accuracy recapitulation of experimentally-measured m6A profiles and of all m6A hallmarks. We further establish that m6A serves as the long-sought mechanism underlying the strong association between exon-intron architecture and mRNA stability. Our findings establish a mechanism by which the memory of nuclear RNA splicing is covalently etched on an mRNA, in the form of m6A, and determines its cytoplasmic stability, with broad implications on the regulation, function, and evolution of both m6A and mRNA stability.

Abstract m6A is the most widespread mRNA modification and is primarily implicated in controlling mRNA stability. Fundamental questions pertaining to m6A are the extent to which it is dynamically modulated within cells and across stimuli, and the forces underlying such modulation. Prior work has focused on investigating active mechanisms governing m6A levels, such as recruitment of m6A writers or erasers leading to either ‘global’ or ‘site-specific’ modulation. Here, we propose that changes in m6A levels across subcellular compartments and biological trajectories may result from passive changes in gene-level mRNA metabolism. To predict the intricate interdependencies between m6A levels, mRNA localization, and mRNA decay, we establish a differential model ‘m6ADyn’ encompassing mRNA transcription, methylation, export, and m6A-dependent and independent degradation. We validate the predictions of m6ADyn in the context of intracellular m6A dynamics, where m6ADyn predicts associations between relative mRNA localization and m6A levels, which we experimentally confirm. We further explore m6ADyn predictions pertaining to changes in m6A levels upon controlled perturbations of mRNA metabolism, which we also experimentally confirm. Finally, we demonstrate the relevance of m6ADyn in the context of cellular heat stress response, where genes subjected to altered mRNA product and export also display predictable changes in m6A levels, consistent with m6ADyn predictions. Our findings establish a framework for dissecting m6A dynamics and suggest the role of passive dynamics in shaping m6A levels in mammalian systems.