ABSTRACT A series of SARS-CoV-2 variants of concern (VOCs) have evolved in humans during the COVID-19 pandemic—Alpha, Beta, Gamma, Delta, and Omicron. Here, we used global proteomic and genomic analyses during infection to understand the molecular responses driving VOC evolution. We discovered VOC-specific differences in viral RNA and protein expression levels, including for N, Orf6, and Orf9b, and pinpointed several viral mutations responsible. An analysis of the host response to VOC infection and comprehensive interrogation of altered virus-host protein-protein interactions revealed conserved and divergent regulation of biological pathways. For example, regulation of host translation was highly conserved, consistent with suppression of VOC replication in mice using the translation inhibitor plitidepsin. Conversely, modulation of the host inflammatory response was most divergent, where we found Alpha and Beta, but not Omicron BA.1, antagonized interferon stimulated genes (ISGs), a phenotype that correlated with differing levels of Orf6. Additionally, Delta more strongly upregulated proinflammatory genes compared to other VOCs. Systematic comparison of Omicron subvariants revealed BA.5 to have evolved enhanced ISG and proinflammatory gene suppression that similarly correlated with Orf6 expression, effects not seen in BA.4 due to a mutation that disrupts the Orf6-nuclear pore interaction. Our findings describe how VOCs have evolved to fine-tune viral protein expression and protein-protein interactions to evade both innate and adaptive immune responses, offering a likely explanation for increased transmission in humans. One sentence summary Systematic proteomic and genomic analyses of SARS-CoV-2 variants of concern reveal how variant-specific mutations alter viral gene expression, virus-host protein complexes, and the host response to infection with applications to therapy and future pandemic preparedness.

The open reading frame 8 (ORF8), an accessory protein of SARS-CoV-2, is prone to deletions and mutations across different viral variants, which was first described in several Singapore variants. The reason why viral evolution favors loss or inactivation of ORF8 is not fully understood, although the effects of ORF8 on inflammation, immune evasion, and disease severity have been described. Here we show using clinical ORF8 deficient viral isolates, virus like particles (VLPs) and viral replicons that ORF8 expression dampens viral particle production. ORF8 physically interacts with the viral Spike protein and induces Golgi fragmentation, overall contributing to less virus particle production. Using systematic ORF8 deletions, we mapped the particle reducing function to its N terminal signal peptide. Interestingly, this part of ORF8 is severely truncated in the recent XBB.1.5 variant, and when restored, suppresses viral particle production in the context of the entire viral genome. Collectively, our data support the model that evolutionary pressure exists to delete ORF8 sequence and expression across SARS-CoV-2 variants to fully enable viral particle production.

The viral genome of SARS-CoV-2 is packaged by the nucleocapsid (N-)protein into ribonucleoprotein particles (RNPs), 38+/-10 of which are contained in each virion. Their architecture has remained unclear due to the pleomorphism of RNPs, the high flexibility of N-protein intrinsically disordered regions, and highly multivalent interactions between viral RNA and N-protein binding sites in both N-terminal (NTD) and C-terminal domain (CTD). Here we explore critical interaction motifs of RNPs by applying a combination of biophysical techniques to mutant proteins binding different nucleic acids in an in vitro assay for RNP formation, and by examining mutant proteins in a viral assembly assay. We find that nucleic acid-bound N-protein dimers oligomerize via a recently described protein-protein interface presented by a transient helix in its long disordered linker region between NTD and CTD. The resulting hexameric complexes are stabilized by multi-valent protein-nucleic acid interactions that establish crosslinks between dimeric subunits. Assemblies are stabilized by the dimeric CTD of N-protein offering more than one binding site for stem-loop RNA. Our study suggests a model for RNP assembly where N-protein scaffolding at high density on viral RNA is followed by cooperative multimerization through protein-protein interactions in the disordered linker.

Although the SARS-CoV-2 Omicron variant (BA.1) spread rapidly across the world and effectively evaded immune responses, its viral fitness in cell and animal models was reduced. The precise nature of this attenuation remains unknown as generating replication-competent viral genomes is challenging because of the length of the viral genome (30kb). Here, we designed a plasmid-based viral genome assembly and resc ue strategy (pGLUE) that constructs complete infectious viruses or noninfectious subgenomic replicons in a single ligation reaction with >80% efficiency. Fully sequenced replicons and infectious viral stocks can be generated in 1 and 3 weeks, respectively. By testing a series of naturally occurring viruses as well as Delta-Omicron chimeric replicons, we show that Omicron nonstructural protein 6 harbors critical attenuating mutations, which dampen viral RNA replication and reduce lipid droplet consumption. Thus, pGLUE overcomes remaining barriers to broadly study SARS-CoV-2 replication and reveals deficits in nonstructural protein function underlying Omicron attenuation.

Abstract The Nucleocapsid (N) protein of SARS-CoV-2 compacts the RNA genome into viral ribonucleoprotein (vRNP) complexes within virions. Assembly of vRNPs is inhibited by phosphorylation of the N protein SR region. Several SARS-CoV-2 variants of concern carry N protein mutations that reduce phosphorylation and enhance the efficiency of viral packaging. Variants of the dominant B.1.1 viral lineage also encode a truncated N protein, termed N* or Δ(1–209), that mediates genome packaging despite lacking the N-terminal RNA-binding domain and SR region. Here, we show that Δ(1–209) and viral RNA assemble into vRNPs that are remarkably similar in size and shape to those formed with full-length N protein. We show that assembly of Δ(1–209) vRNPs requires the leucine-rich helix (LH) of the central disordered region, and that the LH promotes N protein oligomerization. We also find that fusion of a phosphomimetic SR region to Δ(1–209) inhibits RNA binding and vRNP assembly. Our results provide new insights into the mechanisms by which RNA binding promotes N protein self-association and vRNP assembly, and how this process is modulated by SR phosphorylation.