While vaccines are vital for preventing COVID-19 infections, it is critical to develop new therapies to treat patients who become infected. Pharmacological targeting of a host factor required for viral replication can suppress viral spread with a low probability of viral mutation leading to resistance. In particular, host kinases are highly druggable targets and a number of conserved coronavirus proteins, notably the nucleoprotein (N), require phosphorylation for full functionality. In order to understand how targeting kinases could be used to compromise viral replication, we used a combination of phosphoproteomics and bioinformatics as well as genetic and pharmacological kinase inhibition to define the enzymes important for SARS-CoV-2 N protein phosphorylation and viral replication. From these data, we propose a model whereby SRPK1/2 initiates phosphorylation of the N protein, which primes for further phosphorylation by GSK-3a/b and CK1 to achieve extensive phosphorylation of the N protein SR-rich domain. Importantly, we were able to leverage our data to identify an FDA-approved kinase inhibitor, Alectinib, that suppresses N phosphorylation by SRPK1/2 and limits SARS-CoV-2 replication. Together, these data suggest that repurposing or developing novel host-kinase directed therapies may be an efficacious strategy to prevent or treat COVID-19 and other coronavirus-mediated diseases.

ABSTRACT Protein phosphorylation is one of the most widespread post-translational modifications in biology. With the advent of mass spectrometry-based phosphoproteomics, more than 200,000 sites of serine and threonine phosphorylation have been reported, of which several thousand have been associated with human diseases and biological processes. For the vast majority of phosphorylation events, it is not yet known which of the more than 300 protein Ser/Thr kinases encoded in the human genome is responsible. Here, we utilize synthetic peptide libraries to profile the substrate sequence specificity of nearly every functional human Ser/Thr kinase. Viewed in its entirety, the substrate specificity of the kinome was substantially more diverse than expected and was driven extensively by negative selectivity. Our kinome-wide dataset was used to computationally annotate and identify the most likely protein kinases for every reported phosphorylation site in the human Ser/Thr phosphoproteome. For the small minority of phosphosites where the protein kinases involved have been previously identified, our predictions were in excellent agreement. When this approach was applied to examine the signaling response of tissues and cell lines to hormones, growth factors, targeted inhibitors, and environmental or genetic perturbations, it revealed unexpected insights into pathway complexity and compensation. Overall, these studies reveal the full extent of substrate specificity of the human Ser/Thr kinome, illuminate cellular signaling responses, and provide a rich resource to link unannotated phosphorylation events to biological pathways.