Worldwide SARS-CoV-2 sequencing efforts track emerging mutations in its spike protein, as well as characteristic mutations in other viral proteins. Besides their epidemiological importance, the observed SARS-CoV-2 sequences present an ensemble of viable protein variants, and thereby a source of information on viral protein structure and function. Charting the mutational landscape of the nucleocapsid (N) protein that facilitates viral assembly, we observe variability exceeding that of the spike protein, with more than 86% of residues that can be substituted, on average by 3-4 different amino acids. However, mutations exhibit an uneven distribution that tracks known structural features but also reveals highly protected stretches of unknown function. One of these conserved regions is in the central disordered linker proximal to the N-G215C mutation that has become dominant in the Delta variant, outcompeting G215 variants without further spike or N-protein substitutions. Structural models suggest that the G215C mutation stabilizes conserved transient helices in the disordered linker serving as protein-protein interaction interfaces. Comparing Delta variant N-protein to its ancestral version in biophysical experiments, we find a significantly more compact and less disordered structure. N-G215C exhibits substantially stronger self-association, shifting the unliganded protein from a dimeric to a tetrameric oligomeric state, which leads to enhanced co-assembly with nucleic acids. This suggests that the sequence variability of N-protein is mirrored by high plasticity of N-protein biophysical properties, which we hypothesize can be exploited by SARS-CoV-2 to achieve greater efficiency of viral assembly, and thereby enhanced infectivity.

Summary Nucleocapsid (N) protein of the SARS-CoV-2 virus packages the viral genome into well-defined ribonucleoprotein particles, but the molecular pathway is still unclear. N-protein is dimeric and consists of two folded domains with nucleic acid (NA) binding sites, surrounded by intrinsically disordered regions that promote liquid-liquid phase separation. Here we use biophysical tools to study N-protein interactions with oligonucleotides of different length, examining the size, composition, secondary structure, and energetics of the resulting states. We observe formation of supramolecular clusters or nuclei preceding growth into phase-separated droplets. Short hexanucleotide NA forms compact 2:2 N-protein/NA complexes with reduced disorder. Longer oligonucleotides expose additional N-protein interactions and multi-valent protein-NA interactions, which generate higher-order mixed oligomers and simultaneously promote growth of droplets. Phase separation is accompanied by a significant increase in protein secondary structure, different from that caused by initial NA binding, which may contribute to the assembly of ribonucleoprotein particles within molecular condensates.

Genetic diversity is a hallmark of RNA viruses and the basis for their evolutionary success. Taking advantage of the uniquely large genomic database of SARS-CoV-2, we examine the impact of mutations across the spectrum of viable amino acid sequences on the biophysical phenotypes of the highly expressed and multifunctional nucleocapsid protein. We find variation in the physicochemical parameters of its extended intrinsically disordered regions (IDRs) sufficient to allow local plasticity, but also observe functional constraints that similarly occur in related coronaviruses. In biophysical experiments with several N-protein species carrying mutations associated with major variants, we find that point mutations in the IDRs can have nonlocal impact and modulate thermodynamic stability, secondary structure, protein oligomeric state, particle formation, and liquid-liquid phase separation. In the Omicron variant, distant mutations in different IDRs have compensatory effects in shifting a delicate balance of interactions controlling protein assembly properties, and include the creation of a new protein-protein interaction interface in the N-terminal IDR through the defining P13L mutation. A picture emerges where genetic diversity is accompanied by significant variation in biophysical characteristics of functional N-protein species, in particular in the IDRs.

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.

Genetic diversity is a hallmark of RNA viruses and the basis for their evolutionary success. Taking advantage of the uniquely large genomic database of SARS-CoV-2, we examine the impact of mutations across the spectrum of viable amino acid sequences on the biophysical phenotypes of the highly expressed and multifunctional nucleocapsid protein. We find variation in the physicochemical parameters of its extended intrinsically disordered regions (IDRs) sufficient to allow local plasticity, but also exhibiting functional constraints that similarly occur in related coronaviruses. In biophysical experiments with several N-protein species carrying mutations associated with major variants, we find that point mutations in the IDRs can have nonlocal impact and modulate thermodynamic stability, secondary structure, protein oligomeric state, particle formation, and liquid-liquid phase separation. In the Omicron variant, distant mutations in different IDRs have compensatory effects in shifting a delicate balance of interactions controlling protein assembly properties, and include the creation of a new protein-protein interaction interface in the N-terminal IDR through the defining P13L mutation. A picture emerges where genetic diversity is accompanied by significant variation in biophysical characteristics of functional N-protein species, in particular in the IDRs.