Spermatogenesis in mammals is characterized by two waves of piRNA expression: one corresponds to classic piRNAs responsible for silencing retrotransponsons and the second wave is predominantly derived from nontransposon intergenic regions in pachytene spermatocytes, but the function of these pachytene piRNAs is largely unknown. Here, we report the involvement of pachytene piRNAs in instructing massive mRNA elimination in mouse elongating spermatids (ES). We demonstrate that a piRNA-induced silencing complex (pi-RISC) containing murine PIWI (MIWI) and deadenylase CAF1 is selectively assembled in ES, which is responsible for inducing mRNA deadenylation and decay via a mechanism that resembles the action of miRNAs in somatic cells. Such a highly orchestrated program appears to take full advantage of the enormous repertoire of diversified targeting capacity of pachytene piRNAs derived from nontransposon intergenic regions. These findings suggest that pachytene piRNAs are responsible for inactivating vast cellular programs in preparation for sperm production from ES.

The piRNA machinery is known for its role in mediating epigenetic silencing of transposons. Recent studies suggest that this function also involves piRNA-guided cleavage of transposon-derived transcripts. As many piRNAs also appear to have the capacity to target diverse mRNAs, this raises the intriguing possibility that piRNAs may act extensively as siRNAs to degrade specific mRNAs. To directly test this hypothesis, we compared mouse PIWI (MIWI)-associated piRNAs with experimentally identified cleaved mRNA fragments from mouse testes, and observed cleavage sites that predominantly occur at position 10 from the 5′ end of putative targeting piRNAs. We also noted strong biases for U and A residues at nucleotide positions 1 and 10, respectively, in both piRNAs and mRNA fragments, features that resemble the pattern of piRNA amplification by the 'ping-pong' cycle. Through mapping of MIWI-RNA interactions by CLIP-seq and gene expression profiling, we found that many potential piRNA-targeted mRNAs directly interact with MIWI and show elevated expression levels in the testes of Miwi catalytic mutant mice. Reporter-based assays further revealed the importance of base pairing between piRNAs and mRNA targets and the requirement for both the slicer activity and piRNA-loading ability of MIWI in piRNA-mediated target repression. Importantly, we demonstrated that proper turnover of certain key piRNA targets is essential for sperm formation. Together, these findings reveal the siRNA-like function of the piRNA machinery in mouse testes and its central requirement for male germ cell development and maturation.

Abstract The SARS-CoV-2 infected cases and the caused mortalities have been surging since the COVID-19 pandemic. Viral mutations emerge during the virus circulating in the population, which is shaping the viral infectivity and pathogenicity. Here we extensively analyzed 6698 SARS-CoV-2 whole genome sequences with specific sample collection dates in NCBI database. We found that four mutations, i.e., 5’UTR_c-241-t, NSP3_c-3037-t, NSP12_c-14408-t, and S_a-23403-g, became the dominant variants and each of them represented nearly 100% of all virus sequences since the middle May, 2020. Notably, we found that co-occurrence rates of three significant multi-site co-mutational patterns, i.e., (i) S_a-23403-g, NSP12_c-14408-t, 5’UTR_c-241-t, NSP3_c-3037-t, and ORF3a_c-25563-t; (ii) ORF8_t-28144-c, NSP4_c-8782-t, NSP14_c-18060-t, NSP13_a-17858-g, and NSP13_c-17747-t; and (iii) N_g-28881-a, N_g-28882-a, and N_g-28883-c, reached 66%, 90%, and nearly 100% of recent sequences, respectively. Moreover, we found significant decrease of CpG dinucleotide at positions 241(c)-242(g) in the 5’UTR during the evolution, which was verified as a potential target of human zinc finger antiviral protein (ZAP). The four dominant mutations, three significant multi-site co-mutations, and the potential escape mutation of ZAP-target in 5’UTR region contribute to the rapid evolution of SARS-CoV-2 virus in the population, thus shaping the viral infectivity and pathogenicity. This study provides valuable clues and frameworks to dissect the viral replication and virus-host interactions for designing effective therapeutics. One Sentence Summary Four dominant mutations, three significant multi-site co-mutations, and 5’UTR CpG escape contribute to the rapid evolution of SARS-CoV-2 virus.

Abstract The presence of SARS-CoV-2 mutants, including the emerging variant B.1.1.7, has raised great concerns in terms of pathogenesis, transmission, and immune escape. Characterizing SARS-CoV-2 mutations, evolution, and effects on infectivity and pathogenicity is crucial to the design of antibody therapies and surveillance strategies. Here we analyzed 454,443 SARS-CoV-2 spike genes/proteins and 14,427 whole-genome sequences. We demonstrated that the early variant B.1.1.7 may not have evolved spontaneously in the United Kingdom or within human populations. Our extensive analyses suggested that Canidae, Mustelidae or Felidae, especially the Canidae family (for example, dog) could be a possible host of the direct progenitor of variant B.1.1.7. An alternative hypothesis is that the variant was simply yet to be sampled. Notably, the SARS-CoV-2 whole genome represents a large number of potential co-mutations with very strong statistical significances (p value<E– 44). In addition, we used an experimental SARS-CoV-2 reporter replicon system to introduce the dominant co-mutations NSP12_c14408t, 5’UTR_c241t, and NSP3_c3037t into the viral genome, and to monitor the effect of the mutations on viral replication. Our experimental results demonstrated that the co-mutations significantly attenuated the viral replication. The study provides valuable clues for discovering the transmission chains of variant B.1.1.7 and understanding the evolutionary process of SARS-CoV-2.