Abstract SARS-CoV-2 is a betacoronavirus with a linear single-stranded, positive-sense RNA genome, whose outbreak caused the ongoing COVID-19 pandemic. The ability of coronaviruses to rapidly evolve, adapt, and cross species barriers makes the development of effective and durable therapeutic strategies a challenging and urgent need. As for other RNA viruses, genomic RNA structures are expected to play crucial roles in several steps of the coronavirus replication cycle. Despite this, only a handful of functionally-conserved coronavirus structural RNA elements have been identified to date. Here, we performed RNA structure probing to obtain single-base resolution secondary structure maps of the full SARS-CoV-2 coronavirus genome both in vitro and in living infected cells. Probing data recapitulate the previously described coronavirus RNA elements (5′ UTR and s2m), and reveal new structures. Of these, ∼10.2% show significant covariation among SARS-CoV-2 and other coronaviruses, hinting at their functionally-conserved role. Secondary structure-restrained 3D modeling of these segments further allowed for the identification of putative druggable pockets. In addition, we identify a set of single-stranded segments in vivo, showing high sequence conservation, suitable for the development of antisense oligonucleotide therapeutics. Collectively, our work lays the foundation for the development of innovative RNA-targeted therapeutic strategies to fight SARS-related infections.

Summary SARS-CoV-2 is a betacoronavirus with a linear single-stranded, positive-sense RNA genome of ∼30 kb, whose outbreak caused the still ongoing COVID-19 pandemic. The ability of coronaviruses to rapidly evolve, adapt, and cross species barriers makes the development of effective and durable therapeutic strategies a challenging and urgent need. As for other RNA viruses, genomic RNA structures are expected to play crucial roles in several steps of the coronavirus replication cycle. Despite this, only a handful of functionally conserved structural elements within coronavirus RNA genomes have been identified to date. Here, we performed RNA structure probing by SHAPE-MaP to obtain a single-base resolution secondary structure map of the full SARS-CoV-2 coronavirus genome. The SHAPE-MaP probing data recapitulate the previously described coronavirus RNA elements (5′ UTR, ribosomal frameshifting element, and 3′ UTR), and reveal new structures. Secondary structure-restrained 3D modeling of highly-structured regions across the SARS-CoV-2 genome allowed for the identification of several putative druggable pockets. Furthermore, ∼8% of the identified structure elements show significant covariation among SARS-CoV-2 and other coronaviruses, hinting at their functionally-conserved role. In addition, we identify a set of persistently single-stranded regions having high sequence conservation, suitable for the development of antisense oligonucleotide therapeutics. Collectively, our work lays the foundation for the development of innovative RNA-targeted therapeutic strategies to fight SARS-related infections.

SARS-CoV-2 is a betacoronavirus with a linear single-stranded, positive-sense RNA genome of ~30 kb, whose outbreak caused the still ongoing COVID-19 pandemic. The ability of coronaviruses to rapidly evolve, adapt, and cross species barriers makes the development of effective and durable therapeutic strategies a challenging and urgent need. As for other RNA viruses, genomic RNA structures are expected to play crucial roles in several steps of the coronavirus replication cycle. Despite this, only a handful of functionally conserved structural elements within coronavirus RNA genomes have been identified to date. Here, we performed RNA structure probing by SHAPE-MaP to obtain a single-base resolution secondary structure map of the full SARS-CoV-2 coronavirus genome. The SHAPE-MaP probing data recapitulate the previously described coronavirus RNA elements (5′ UTR, ribosomal frameshifting element, and 3′ UTR), and reveal new structures. Secondary structure-restrained 3D modeling of highly-structured regions across the SARS-CoV-2 genome allowed for the identification of several putative druggable pockets. Furthermore, ~8% of the identified structure elements show significant covariation among SARS-CoV-2 and other coronaviruses, hinting at their functionally-conserved role. In addition, we identify a set of persistently single-stranded regions having high sequence conservation, suitable for the development of antisense oligonucleotide therapeutics. Collectively, our work lays the foundation for the development of innovative RNA-targeted therapeutic strategies to fight SARS-related infections.