The nucleotide analog Remdesivir (RDV) is the only FDA-approved antiviral therapy to treat infection by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2). The physical basis for efficient utilization of RDV by SARS-CoV-2 polymerase is unknown. Here, we characterize the impact of RDV and other nucleotide analogs on RNA synthesis by the polymerase using a high-throughput, single-molecule, magnetic-tweezers platform. The location of the modification in the ribose or in the base dictates the catalytic pathway(s) used for its incorporation. We reveal that RDV incorporation does not terminate viral RNA synthesis, but leads the polymerase into deep backtrack, which may appear as termination in traditional ensemble assays. SARS-CoV-2 is able to evade the endogenously synthesized product of the viperin antiviral protein, ddhCTP, though the polymerase incorporates this nucleotide analog well. This experimental paradigm is essential to the discovery and development of therapeutics targeting viral polymerases.

Abstract The ongoing Corona Virus Disease 2019 (COVID-19) pandemic, caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus-2 (SARS-CoV-2), has emphasized the urgent need for antiviral therapeutics. The viral RNA-dependent-RNA-polymerase (RdRp) is a promising target with polymerase inhibitors successfully used for the treatment of several viral diseases. Here we show that Favipiravir exerts an antiviral effect as a nucleotide analogue through a combination of chain termination, slowed RNA synthesis and lethal mutagenesis. The SARS-CoV RdRp complex is at least 10-fold more active than any other viral RdRp known. It possesses both unusually high nucleotide incorporation rates and high-error rates allowing facile insertion of Favipiravir into viral RNA, provoking C-to-U and G-to-A transitions in the already low cytosine content SARS-CoV-2 genome. The coronavirus RdRp complex represents an Achilles heel for SARS-CoV, supporting nucleoside analogues as promising candidates for the treatment of COVID-19.