The rapid global emergence of SARS-CoV-2 has been the cause of significant health concern, highlighting the immediate need for antivirals. Viral RNA-dependent RNA polymerases (RdRp) play essential roles in viral RNA synthesis, and thus remains the target of choice for the prophylactic or curative treatment of several viral diseases, due to high sequence and structural conservation. To date, the most promising broad-spectrum class of viral RdRp inhibitors are nucleoside analogues (NAs), with over 25 approved for the treatment of several medically important viral diseases. However, Coronaviruses stand out as a particularly challenging case for NA drug design due to the presence of an exonuclease (ExoN) domain capable of excising incorporated NAs and thus providing resistance to many of these available antivirals. Here we use the available structures of the SARS-CoV RdRp and ExoN proteins, as well as Lassa virus N exonuclease to derive models of catalytically competent SARS-CoV-2 enzymes. We then map a promising NA candidate, GS-441524 (the active metabolite of Remdesivir) to the nucleoside active site of both proteins, identifying the residues important for nucleotide recognition, discrimination, and excision. Interestingly, GS-441524 addresses both enzyme active sites in a manner consistent with significant incorporation, delayed chain termination, and altered excision due to the ribose 1'-CN group, which may account for the increased antiviral effect compared to other available analogues. Additionally, we propose structural and function implications of two previously identified RdRp resistance mutations in relation to resistance against Remdesivir. This study highlights the importance of considering the balance between incorporation and excision properties of NAs between the RdRp and ExoN.

Summary How viruses from the Coronaviridae family initiate viral RNA synthesis is unknown. Here we show that the SARS-CoV-1 and −2 Ni dovirus R dRp- A ssociated N ucleotidyltransferase (NiRAN) domain on nsp12 uridylates the viral cofactor nsp8, forming a UMP-Nsp8 covalent intermediate that subsequently primes RNA synthesis from a poly(A) template; a protein-priming mechanism reminiscent of Picornaviridae enzymes. In parallel, the RdRp active site of nsp12 synthesizes a pppGpU primer, which primes (-)ssRNA synthesis at the precise genome-poly(A) junction. The guanosine analogue 5’-triphosphate AT-9010 (prodrug: AT-527) tightly binds to the NiRAN and inhibits both nsp8-labeling and the initiation of RNA synthesis. A 2.98 Å resolution Cryo-EM structure of the SARS-CoV-2 nsp12-nsp7-(nsp8) 2 /RNA/NTP quaternary complex shows AT-9010 simultaneously binds to both NiRAN and RdRp active site of nsp12, blocking their respective activities. AT-527 is currently in phase II clinical trials, and is a potent inhibitor of SARS-CoV-1 and −2, representing a promising drug for COVID-19 treatment.

Bemnifosbuvir (AT-527) and AT-752 are guanosine analogues currently in clinical trials against several RNA viruses. Here, we show that these drugs require a minimal set of 5 cellular enzymes for activation to their common 5′-triphosphate AT-9010, with an obligate order of reactions. AT-9010 selectively inhibits essential viral enzymes, accounting for antiviral potency. Functional and structural data at atomic resolution decipher N 6 -purine deamination compatible with its metabolic activation. Crystal structures of human histidine triad nucleotide binding protein 1, adenosine deaminase-like protein 1, guanylate kinase 1, and nucleoside diphosphate kinase at 2.09, 2.44, 1.76, and 1.9 Å resolution, respectively, with cognate precursors of AT-9010 illuminate the activation pathway from the orally available bemnifosbuvir to AT-9010, pointing to key drug–protein contacts along the activation pathway. Our work provides a framework to integrate the design of antiviral nucleotide analogues, confronting requirements and constraints associated with activation enzymes along the 5′-triphosphate assembly line.

Bemnifosbuvir (AT-527) and AT-752 are guanosine analogues currently in clinical trials against several RNA viruses. Here we show that these drugs require a minimal set of 5 cellular enzymes for activation to their common 5'-triphosphate AT-9010, with an obligate order of reactions. AT-9010 selectively inhibits essential viral enzymes, accounting for broad spectrum antiviral potency. Functional and structural data at atomic resolution decipher N6-purine deamination compatible with metabolic activation by human ADALP1. Crystal structures of human HINT1, ADALP1, GUK1, and NDPK at 2.09, 2.44, 1.76, and 1.9 A resolution, respectively, with cognate precursors of AT-9010 illuminate the activation pathway from the orally available bemnifosbuvir to AT-9010, pointing to key drug-protein contacts along the activation pathway. Our work provides a framework to integrate the design of antiviral nucleotide analogues, confronting requirements and constraints associated with activation enzymes along the 5'-triphosphate assembly line.

Abstract Viral exoribonucleases are uncommon in the world of RNA viruses. To date, this activity has been identified only in the Arenaviridae and the Coronaviridae families. These exoribonucleases play important but different roles in both families: for mammarenaviruses the exoribonuclease is involved in the suppression of the host immune response whereas for coronaviruses, exoribonuclease is both involved in a proofreading mechanism ensuring the genetic stability of viral genomes and participating to evasion of the host innate immunity. Because of their key roles, they constitute attractive targets for drug development. Here we present a high-throughput assay using fluorescence polarization to assess the viral exoribonuclease activity and its inhibition. We validate the assay using three different viral enzymes from SARS-CoV-2, lymphocytic choriomeningitis and Machupo viruses. The method is sensitive, robust, amenable to miniaturization (384 well plates) and allowed us to validate the proof-of-concept of the assay by screening a small focused compounds library (23 metal chelators). We also determined the IC50 of one inhibitor common to the three viruses. Highlights Arenaviridae and Coronaviridae viral families share an exoribonuclease activity of common evolutionary origin Arenaviridae and Coronaviridae exoribonuclease is an attractive target for drug development We present a high-throughput assay in 384 well-plates for the screening of inhibitors using fluorescence polarization We validated the assay by screening of a focused library of 23 metal chelators against SARS-CoV-2, Lymphocytic Choriomeningitis virus and Machupo virus exoribonucleases We determined the IC 50 by fluorescence polarization of one inhibitor common to the three viruses.