Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is the cause of the ongoing coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic1. To understand the pathogenicity and antigenic potential of SARS-CoV-2 and to develop therapeutic tools, it is essential to profile the full repertoire of its expressed proteins. The current map of SARS-CoV-2 coding capacity is based on computational predictions and relies on homology with other coronaviruses. As the protein complement varies among coronaviruses, especially in regard to the variety of accessory proteins, it is crucial to characterize the specific range of SARS-CoV-2 proteins in an unbiased and open-ended manner. Here, using a suite of ribosome-profiling techniques2–4, we present a high-resolution map of coding regions in the SARS-CoV-2 genome, which enables us to accurately quantify the expression of canonical viral open reading frames (ORFs) and to identify 23 unannotated viral ORFs. These ORFs include upstream ORFs that are likely to have a regulatory role, several in-frame internal ORFs within existing ORFs, resulting in N-terminally truncated products, as well as internal out-of-frame ORFs, which generate novel polypeptides. We further show that viral mRNAs are not translated more efficiently than host mRNAs; instead, virus translation dominates host translation because of the high levels of viral transcripts. Our work provides a resource that will form the basis of future functional studies. A high-resolution map of coding regions in the SARS-CoV-2 genome enables the identification of 23 unannotated open reading frames and quantification of the expression of canonical viral open reading frames.

Abstract Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is the cause of the ongoing Coronavirus disease 19 (COVID-19) pandemic 1,2 . In order to understand SARS-CoV-2 pathogenicity and antigenic potential, and to develop diagnostic and therapeutic tools, it is essential to portray the full repertoire of its expressed proteins. The SARS-CoV-2 coding capacity map is currently based on computational predictions and relies on homology to other coronaviruses. Since coronaviruses differ in their protein array, especially in the variety of accessory proteins, it is crucial to characterize the specific collection of SARS-CoV-2 proteins in an unbiased and open-ended manner. Utilizing a suite of ribosome profiling techniques 3–8 , we present a high-resolution map of the SARS-CoV-2 coding regions, allowing us to accurately quantify the expression of canonical viral open reading frames (ORF)s and to identify 23 novel unannotated viral translated ORFs. These ORFs include upstream ORFs (uORFs) that are likely playing a regulatory role, several in-frame internal ORFs lying within existing ORFs, resulting in N-terminally truncated products, as well as internal out-of-frame ORFs, which generate novel polypeptides. We further show that viral mRNAs are not translated more efficiently than host mRNAs; rather, virus translation dominates host translation due to high levels of viral transcripts. Overall, our work reveals the full coding capacity of SARS-CoV-2 genome, providing a rich resource, which will form the basis of future functional studies and diagnostic efforts.

T cell-mediated immunity may play a critical role in controlling and establishing protective immunity against SARS-CoV-2 infection; yet the repertoire of viral epitopes responsible for T cell response activation remains mostly unknown. Identification of viral peptides presented on class I human leukocyte antigen (HLA-I) can reveal epitopes for recognition by cytotoxic T cells and potential incorporation into vaccines. Here, we report the first HLA-I immunopeptidome of SARS-CoV-2 in two human cell lines at different times post-infection using mass spectrometry. We found HLA-I peptides derived not only from canonical ORFs, but also from internal out-of-frame ORFs in Spike and Nucleoprotein not captured by current vaccines. Proteomics analyses of infected cells revealed that SARS-CoV-2 may interfere with antigen processing and immune signaling pathways. Based on the endogenously processed and presented viral peptides that we identified, we estimate that a pool of 24 peptides would provide one or more peptides for presentation by at least one HLA allele in 99% of the human population. These biological insights and the list of naturally presented SARS-CoV-2 peptides will facilitate data-driven selection of peptides for immune monitoring and vaccine development.

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 The global spread of SARS-CoV-2 led to the most challenging pandemic in this century, posing major economic and health challenges worldwide. Revealing host genes essential for infection by multiple variants of SASR-CoV-2 can provide insights into the virus pathogenesis, and facilitates the development of novel broad-spectrum host-directed therapeutics. Here, employing genome-scale CRISPR screens, we provide a comprehensive data-set of cellular factors that are exploited by WT-SARS-CoV-2 as well as two additional recently emerged variants of concerns (VOCs), Alpha and Beta. These screens identified known and novel host factors critical for SARS-CoV-2 infection, including various components belonging to the Clathrin-dependent transport pathway, ubiquitination and Heparan sulfate biogenesis. In addition, the host phosphatidylglycerol biosynthesis processes appeared to have major anti-viral functions. Comparative analysis of the different VOCs revealed the host factors KREMEN2 and SETDB1 as potential unique candidates required only to the Alpha variant, providing a possible explanation for the increased infectivity of this variant. Furthermore, the analysis identified GATA6, a zinc finger transcription factor, as an essential pro-viral gene for all variants inspected. We revealed that GATA6 directly regulates ACE2 transcription and accordingly, is critical for SARS-CoV-2 cell entry. Analysis of clinical samples collected from SARS-CoV-2 infected individuals showed an elevated level of GATA6, indicating the important role GATA6 may be playing in COVID-19 pathogenesis. Finally, pharmacological inhibition of GATA6 resulted in down-modulation of ACE2 and consequently to inhibition of the viral infectivity. Overall, we show GATA6 represents a target for the development of anti-SARS-CoV-2 therapeutic strategies and reaffirm the value of the CRISPR loss-of-function screens in providing a list of potential new targets for therapeutic interventions.

Abstract Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is the cause of the ongoing coronavirus disease 19 (COVID-19) pandemic. Despite its urgency, we still do not fully understand the molecular basis of SARS-CoV-2 pathogenesis and its ability to antagonize innate immune responses. SARS-CoV-2 leads to shutoff of cellular protein synthesis and over-expression of nsp1, a central shutoff factor in coronaviruses, inhibits cellular gene translation. However, the diverse molecular mechanisms nsp1 employs as well as its functional importance in infection are still unresolved. By overexpressing various nsp1 mutants and generating a SARS-CoV-2 mutant in which nsp1 does not bind ribosomes, we untangle the effects of nsp1. We uncover that nsp1, through inhibition of translation and induction of mRNA degradation, is the main driver of host shutoff during SARS-CoV-2 infection. Furthermore, we find the propagation of nsp1 mutant virus is inhibited specifically in cells with intact interferon (IFN) response as well as in-vivo , in infected hamsters, and this attenuation is associated with stronger induction of type I IFN response. This illustrates that nsp1 shutoff activity has an essential role mainly in counteracting the IFN response. Overall, our results reveal the multifaceted approach nsp1 uses to shut off cellular protein synthesis and uncover the central role it plays in SARS-CoV-2 pathogenesis, explicitly through blockage of the IFN response.

Abstract Human herpesvirus 6 (HHV-6) A and B are highly ubiquitous betaherpesviruses, infecting the majority of the human population. Like other herpesviruses, they encompass large genomes and our understanding of their protein coding potential is far from complete. Here we employ ribosome profiling and systematic transcript analysis to experimentally define the HHV-6 translation products and to follow their temporal expression. We identify hundreds of new open reading frames (ORFs), including many upstream ORFs (uORFs) and internal ORFs (iORFs), generating a complete unbiased atlas of HHV-6 proteome. Furthermore, by integrating systematic data from the prototypic betaherpesvirus, human cytomegalovirus, we uncover numerous uORFs and iORFs that are conserved across betaherpesviruses and we show that uORFs are specifically enriched in late viral genes. Using our transcriptome measurements, we identified three highly abundant HHV-6 encoded long non-coding RNAs (lncRNAs), one of which generates a non-polyadenylated stable intron that appears to be a conserved feature of betaherpesviruses. Overall, our work reveals the complexity of HHV-6 genomes and highlights novel features that are conserved between betaherpesviruses, providing a rich resource for future functional studies.

Abstract Genetic screens have transformed our ability to interrogate cellular factor requirements in infection, yet current approaches are limited in their sensitivity, biased towards early stages of infection and provide only simplistic phenotypic information which is often based on infected cell survival. Here, by engineering human cytomegalovirus to express sgRNA libraries directly from the viral genome, we developed a sensitive, versatile, viral centric approach that allows profiling of different stages along viral infection in a pooled format. Using this approach, which we termed VECOS (Virus Encoded CRISPR-based direct readOut Screening system), we identified hundreds of novel host dependency and restriction factors and quantified their direct effects on viral genome replication, viral particle secretion and infectiousness of secreted particles, providing a multi-dimensional perspective on viral-host interactions. These high resolution measurements reveal that perturbations that alter late stages in HCMV life cycle mostly regulate HCMV particle quality rather than quantity, defining correct virion assembly as a critical stage that is heavily reliant on viral-host interactions. Overall, VECOS facilitates systematic high resolution dissection of human proteins’ role along the infection cycle, providing a roadmap for in-depth dissection of host–herpesvirus interactions.

RNA regulation plays an integral role in tuning gene expression and is controlled by thousands of RNA-binding proteins (RBPs). We develop and use a high-throughput recruitment assay (HT-RNA-Recruit) to identify regulatory domains within human RBPs by recruiting over 30,000 protein tiles from 367 RBPs to a reporter mRNA. We discover over 100 unique RNA-regulatory effectors in 86 distinct RBPs, presenting evidence that RBPs contain functionally separable domains that dictate their post-transcriptional control of gene expression, and identify some with unique activity at 5' or 3'UTRs. We identify some domains that downregulate gene expression both when recruited to DNA and RNA, and dissect their mechanisms of regulation. Finally, we build a synthetic RNA regulator that can stably maintain gene expression at desired levels that are predictable by a mathematical model. This work serves as a resource for human RNA-regulatory effectors and expands the synthetic repertoire of RNA-based genetic control tools.