Gene targeting in embryonic stem cells has become the principal technology for manipulation of the mouse genome, offering unrivalled accuracy in allele design and access to conditional mutagenesis. To bring these advantages to the wider research community, large-scale mouse knockout programmes are producing a permanent resource of targeted mutations in all protein-coding genes. Here we report the establishment of a high-throughput gene-targeting pipeline for the generation of reporter-tagged, conditional alleles. Computational allele design, 96-well modular vector construction and high-efficiency gene-targeting strategies have been combined to mutate genes on an unprecedented scale. So far, more than 12,000 vectors and 9,000 conditional targeted alleles have been produced in highly germline-competent C57BL/6N embryonic stem cells. High-throughput genome engineering highlighted by this study is broadly applicable to rat and human stem cells and provides a foundation for future genome-wide efforts aimed at deciphering the function of all genes encoded by the mammalian genome. Knockout mice in which a specific gene is inactivated are central to the analysis of gene function. An important resource is reported here in the form of a high-throughput gene targeting pipeline that has already produced thousands of conditional mutations in the C57BL/6 embryonic stem-cell line, suitable for the creation of mutant mice for large-scale phenotyping programmes. The strategy is also applicable to rat and human stem cells and provides a foundation for deciphering the function of all genes encoded by the mammalian genome.

The SET domain proteins, SUV39 and G9a have recently been shown to be histone methyltransferases specific for lysines 9 and 27 (G9a only) of histone 3 (H3). The SET domains of the Saccharomyces cerevisiae Set1 and Drosophila trithorax proteins are closely related to each other but distinct from SUV39 and G9a. We characterized the complex associated with Set1 and Set1C and found that it is comprised of eight members, one of which, Bre2, is homologous to the trithorax-group (trxG) protein, Ash2. Set1C requires Set1 for complex integrity and mutation of Set1 and Set1C components shortens telomeres. One Set1C member, Swd2/Cpf10 is also present in cleavage polyadenylation factor (CPF). Set1C methylates lysine 4 of H3, thus adding a new specificity and a new subclass of SET domain proteins known to methyltransferases. Since methylation of H3 lysine 4 is widespread in eukaryotes, we screened the databases and found other Set1 homologues. We propose that eukaryotic Set1Cs are H3 lysine 4 methyltransferases and are related to trxG action through association with Ash2 homologues.

RNA polymerase (Pol) III synthesizes abundant short noncoding RNAs that have essential functions in protein synthesis, secretion, and other processes. Despite the ubiquitous functions of these RNAs, mutations in Pol III subunits cause Pol III-related leukodystrophy, an early-onset neurodegenerative disease. The basis of this neural sensitivity and the mechanisms of disease pathogenesis are unknown. Here we show that mice expressing pathogenic mutations in the largest Pol III subunit, Polr3a, specifically in Olig2-expressing cells, have impaired growth and developmental delay, deficits in cognitive, sensory, and fine sensorimotor function, and hypomyelination in multiple regions of the cerebrum and spinal cord. These phenotypes reflect a subset of clinical features seen in patients. In contrast, the gross motor defects and cerebellar hypomyelination that are common features of severely affected patients are absent in the mice, suggesting a relatively mild form of the disease in this conditional model. Our results show that disease pathogenesis in the mice involves defects that reduce both the number of mature myelinating oligodendrocytes and the ability of these cells to produce a myelin sheath of normal thickness. The findings suggest unique sensitivities of oligodendrogenesis and myelination to perturbations of Pol III transcription.

Abstract Maf1 -/- mice are lean, obesity-resistant and metabolically inefficient. Their increased energy expenditure is thought to be driven by a futile RNA cycle that reprograms metabolism to meet an increased demand for nucleotides stemming from the deregulation of RNA polymerase (pol) III transcription. Metabolic changes consistent with this model have been reported in both fasted and refed mice, however the impact of the fasting-refeeding-cycle on pol III function has not been examined. Here we show that changes in pol III occupancy in the liver of fasted versus refed wild-type mice are largely confined to low and intermediate occupancy genes; high occupancy genes are unchanged. However, in Maf1 -/- mice, pol III occupancy of the vast majority of active loci in liver and the levels of specific precursor tRNAs in this tissue and other organs are higher than wild-type in both fasted and refed conditions. Thus, MAF1 functions as a chronic repressor of active pol III loci and can modulate transcription under different conditions. Our findings support the futile RNA cycle hypothesis, elaborate the mechanism of pol III repression by MAF1 and demonstrate a modest effect of MAF1 on global translation via reduced mRNA levels and translation efficiencies for several ribosomal proteins.

Abstract RNA polymerase (Pol) III synthesizes abundant short non-coding RNAs that have essential functions in protein synthesis, secretion and other processes. Despite the ubiquitous functions of these RNAs, mutations in Pol III subunits cause Pol III-related leukodystrophy, an early-onset neurodegenerative disease. The basis of this neural sensitivity and the mechanisms of disease pathogenesis are unknown. Here we show that mice expressing pathogenic mutations in the largest Pol III subunit, Polr3a , specifically in Olig2-expressing cells, have impaired growth and developmental delay, deficits in cognitive, sensory and fine sensorimotor function, and hypomyelination in multiple regions of the cerebrum and spinal cord. In contrast, the gross motor defects and cerebellar hypomyelination that are common features of severely affected patients are absent in the mice, suggesting a relatively mild form of the disease in this conditional model. Our results show that disease pathogenesis in the mice involves defects that reduce both the number of mature myelinating oligodendrocytes and the ability of these cells to produce a myelin sheath of normal thickness. Thus, the findings suggest cell-specific roles for Pol III in the development and/or survival of oligodendrocytes as well as their function in myelination. Significance Statement Pathogenic mutations in subunits of RNA polymerase (Pol) III cause a prevalent autosomal recessive form of leukodystrophy. However, understanding of the mechanisms of pathogenesis, including how ubiquitously-expressed Pol III mutations affect primarily the central nervous system, has been limited by the absence of an animal model of the disease. We show that conditional knock-in of pathogenic Polr3a mutations in the Olig2 lineage in mice results in growth, neurobehavioral and hypomyelination phenotypes reflecting a subset of clinical features of Pol III-related leukodystrophy patients. Myelination defects in the mice identify neural-specific roles for Pol III transcription. The phenotypes of Pol III-related leukodystrophic mice enable genetic and pharmacological approaches aimed at mitigating the consequences of this disease in humans.

Abstract Maf1, a key repressor of RNA polymerase III-mediated transcription, has been shown to promote mesoderm formation in vitro . Here, we show, for the first time, that Maf1 plays a critical role in the regulation of osteoblast differentiation and bone mass. A high bone mass phenotype was noted in mice with global deletion of Maf1 ( Maf1 -/- mice), as well as paradoxically, in mice that overexpressed MAF1 in cells of the osteoblast lineage ( Prx1 -Cre;LSL- Maf1 mice). Osteoblasts isolated from Maf1 -/- mice showed reduced osteoblastogenesis ex vivo. Prx1 -Cre;LSL- MAF1 mice showed enhanced osteoblastogenesis concordant with their high bone mass phenotype. Thus, the high bone mass phenotype in Maf1 -/- mice is likely due to the confounding effects of the global absence of Maf1 in Maf1 -/- mice. Expectedly, MAF1 overexpression promoted osteoblast differentiation and shRNA-mediated Maf1 downregulation inhibited differentiation of ST2 cells, overall indicating Maf1 enhances osteoblast formation. We also found that, in contrast to MAF1 overexpression, other perturbations that repress RNA pol III transcription, including Brf1 knockdown and the chemical inhibition of RNA pol III by ML-60218, inhibited osteoblast differentiation. All perturbations that decrease RNA pol III transcription, however, enhanced adipogenesis in ST2 cell cultures. RNA-seq was used to determine the basis for these opposing actions on osteoblast differentiation. The modalities used to alter RNA pol III transcription resulted in distinct changes gene expression, indicating that this transcription process is highly sensitive to perturbations and triggers diverse gene expression programs and phenotypic outcomes. Specifically, Maf1 induced genes in ST2 cells known to promote osteoblast differentiation. Furthermore, genes that are induced during osteoblast differentiation displayed codon bias. Together, these results reveal a novel role for Maf1 and RNA pol III-mediated transcription in osteoblast fate determination and differentiation and bone mass regulation.

Pathogenic variants in subunits of RNA polymerase (Pol) III cause a spectrum of neurodegenerative diseases including 4H leukodystrophy. Disease onset occurs from infancy to early adulthood and is associated with a variable range and severity of neurological and non-neurological features. The molecular basis of disease pathogenesis is unknown. We developed a postnatal whole-body mouse model expressing pathogenic Polr3a mutations to examine the molecular mechanisms by which reduced Pol III transcription results primarily in central nervous system phenotypes. Polr3a mutant mice exhibit behavioral deficits, cerebral pathology and exocrine pancreatic atrophy. Transcriptome and immunohistochemistry analyses of cerebra during disease progression show a reduction in most Pol III transcripts, induction of innate immune and integrated stress responses and cell type-specific gene expression changes reflecting neuron and oligodendrocyte loss and microglial activation. Earlier in the disease when integrated stress and innate immune responses are minimally induced, mature tRNA sequencing revealed a global reduction in tRNA levels and an altered tRNA profile but no changes in other Pol III transcripts. Thus, changes in the size and/or composition of the tRNA pool have a causal role in disease initiation. Our findings reveal different tissue- and brain region-specific sensitivities to a defect in Pol III transcription.

Short interspersed nuclear elements (SINEs) are RNA polymerase III (RNAPIII) transcribed, retrotransposable noncoding RNA (ncRNA) elements ubiquitously spread throughout mammalian genomes. While normally silenced in healthy somatic tissue, SINEs can be induced during infection with DNA viruses, including the model murine gammaherpesvirus MHV68. Here, we explored the mechanisms underlying MHV68 activation of SINE ncRNAs. We demonstrate that lytic MHV68 infection of B cells, macrophages and fibroblasts leads to robust activation of the B2 family of SINEs in a cell autonomous manner. B2 ncRNA induction requires neither host innate immune signaling factors nor involvement of the RNAPIII master regulator Maf1. However, we identify MHV68 ORF36, the conserved herpesviral kinase, as playing a key role in B2 induction during lytic infection. SINE activation is linked to ORF36 kinase activity and can also be induced by HDAC1/2 inhibition, which is one of the known ORF36 functions. Collectively, our data suggest that ORF36-mediated changes in chromatin modification contribute to B2 activation during MHV68 infection, and that this activity is conserved in other herpesviral protein kinase homologs.

Maf1 is a highly conserved central regulator of transcription by RNA polymerase III (Pol III), and Maf1 activity influences a wide range of phenotypes from metabolic efficiency to lifespan. Here, we present a 3.3 Å cryo-EM structure of yeast Maf1 bound to Pol III, which establishes how Maf1 achieves transcription repression. In the Maf1-bound state, Pol III elements that are involved in transcription initiation are sequestered, and the active site is sealed off due to ordering of the mobile C34 winged helix 2 domain. Specifically, the Maf1 binding site overlaps with the binding site of the Pol III transcription factor TFIIIB and DNA in the pre-initiation complex, rationalizing that binding of Maf1 and TFIIIB to Pol III are mutually exclusive. We validate our structure using variants of Maf1 with impaired transcription-inhibition activity. These results reveal the exact mechanism of Pol III inhibition by Maf1, and rationalize previous biochemical data.