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.

Stochastic fluctuations (noise) in transcription generate substantial cell-to-cell variability, but the physiological roles of noise have remained difficult to determine in the absence of generalized noise-modulation approaches. Previous single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) suggested that the pyrimidine-base analog (5′-iodo-2′ deoxyuridine, IdU) could generally amplify noise without substantially altering mean expression levels but scRNA-seq technical drawbacks potentially obscured the penetrance of IdU-induced transcriptional noise amplification. Here we quantify global-vs.-partial penetrance of IdU induced noise amplification by assessing scRNAseq data using numerous normalization algorithms and directly quantifying noise using single-molecule RNA FISH (smFISH) for a panel of genes from across the transcriptome. Alternate scRNA-seq analyses indicate IdU-induced noise amplification for ~90% of genes, and smFISH data verified noise amplification for ~90% of tested genes. Collectively, this analysis indicates which scRNA-seq algorithms are appropriate for quantifying noise and argues that IdU is a globally penetrant noise enhancer molecule that could enable investigations of the physiological impacts of transcriptional noise.

Stochastic fluctuations (noise) in transcription generate substantial cell-to-cell variability. However, how best to quantify genome-wide noise, remains unclear. Here we utilize a small-molecule perturbation (IdU) to amplify noise and assess noise quantification from numerous scRNA-seq algorithms on human and mouse datasets, and then compare to noise quantification from single-molecule RNA FISH (smFISH) for a panel of representative genes. We find that various scRNA-seq analyses report amplified noise, without altered mean-expression levels, for ~90% of genes and that smFISH analysis verifies noise amplification for the vast majority of genes tested. Collectively, the analyses suggest that most scRNA-seq algorithms are appropriate for quantifying noise including a simple normalization approach, although all of these systematically underestimate noise compared to smFISH. From a practical standpoint, this analysis argues that IdU is a globally penetrant noise-enhancer molecule-amplifying noise without altering mean-expression levels-which could enable investigations of the physiological impacts of transcriptional noise.

Abstract A conditioning lesion of the peripheral sensory axon triggers robust central axon regeneration in mammals. We trigger conditioned regeneration in the C. elegans ASJ neuron by laser surgery or genetic disruption of sensory pathways. Conditioning upregulates trx-1 expression, as indicated by trx-1 promoter-driven green fluorescent protein and fluorescence in situ hybridization, suggesting trx-1 levels and associated fluorescence indicate regenerative capacity. Redox activity of trx-1 functionally enhances conditioned regeneration, but both redox-dependent and –independent activity inhibit non-conditioned regeneration. Six strains isolated in a forward genetic screen for reduced fluorescence, which suggests diminished regenerative potential, also show reduced axon outgrowth. We demonstrate an association between trx-1 expression and the conditioned state that we leverage to rapidly assess regenerative capacity.