Characterizing the interactions that SARS-CoV-2 viral RNAs make with host cell proteins during infection can improve our understanding of viral RNA functions and the host innate immune response. Using RNA antisense purification and mass spectrometry, we identified up to 104 human proteins that directly and specifically bind to SARS-CoV-2 RNAs in infected human cells. We integrated the SARS-CoV-2 RNA interactome with changes in proteome abundance induced by viral infection and linked interactome proteins to cellular pathways relevant to SARS-CoV-2 infections. We demonstrated by genetic perturbation that cellular nucleic acid-binding protein (CNBP) and La-related protein 1 (LARP1), two of the most strongly enriched viral RNA binders, restrict SARS-CoV-2 replication in infected cells and provide a global map of their direct RNA contact sites. Pharmacological inhibition of three other RNA interactome members, PPIA, ATP1A1, and the ARP2/3 complex, reduced viral replication in two human cell lines. The identification of host dependency factors and defence strategies as presented in this work will improve the design of targeted therapeutics against SARS-CoV-2.

ABSTRACT SARS-CoV-2 infections pose a global threat to human health and an unprecedented research challenge. Among the most urgent tasks is obtaining a detailed understanding of the molecular interactions that facilitate viral replication or contribute to host defense mechanisms in infected cells. While SARS-CoV-2 co-opts cellular factors for viral translation and genome replication, a comprehensive map of the host cell proteome in direct contact with viral RNA has not been elucidated. Here, we use RNA antisense purification and mass spectrometry (RAP-MS) to obtain an unbiased and quantitative picture of the human proteome that directly binds the SARS-CoV-2 RNA in infected human cells. We discover known host factors required for coronavirus replication, regulators of RNA metabolism and host defense pathways, along with dozens of potential drug targets among direct SARS-CoV-2 binders. We further integrate the SARS-CoV-2 RNA interactome with proteome dynamics induced by viral infection, linking interactome proteins to the emerging biology of SARS-CoV-2 infections. Validating RAP-MS, we show that CNBP, a regulator of proinflammatory cytokines, directly engages the SARS-CoV-2 RNA. Supporting the functional relevance of identified interactors, we show that the interferon-induced protein RYDEN suppresses SARS-CoV-2 ribosomal frameshifting and demonstrate that inhibition of SARS-CoV-2-bound proteins is sufficient to manipulate viral replication. The SARS-CoV-2 RNA interactome provides an unprecedented molecular perspective on SARS-CoV-2 infections and enables the systematic dissection of host dependency factors and host defense strategies, a crucial prerequisite for designing novel therapeutic strategies.

ABSTRACT Optical tweezers is a single-molecule technique that allows probing of intra- and intermolecular interactions that govern complex biological processes involving molecular motors, protein–nucleic acid interactions and protein/RNA folding. Recent developments in instrumentation eased and accelerated optical tweezers data acquisition, but analysis of the data remains challenging. Here, to enable high-throughput data analysis, we developed an automated python-based analysis pipeline called POTATO ( P ractical O ptical T weezers A nalysis TO ol). POTATO automatically processes the high-frequency raw data generated by force-ramp experiments and identifies (un)folding events using predefined parameters. After segmentation of the force-distance trajectories at the identified (un)folding events, sections of the curve can be fitted independently to worm-like chain and freely-jointed chain models, and the work applied on the molecule can be calculated by numerical integration. Furthermore, the tool allows plotting of constant force data and fitting of the Gaussian distance distribution over time. All these features are wrapped in a user-friendly graphical interface ( https://github.com/REMI-HIRI/POTATO ), which allows researchers without programming knowledge to perform sophisticated data analysis. SIGNIFICANCE Studying (un)folding of biopolymer structures with optical tweezers under different conditions generates very large datasets for statistical data analysis. Recent technical improvements accelerated data acquisition by coupling modern instruments with microfluidic systems, at the same time creating the need for a high-throughput, and unbiased data analysis. We developed Practical Optical Tweezers Analysis TOol (POTATO); an open-source python-based tool that can process data gathered by any OT force-ramp experiment in an automated fashion. POTATO is principally designed for data preprocessing, identification of (un)folding events and the fitting of the force-distance curves. In addition, all parameters for preprocessing, statistical analysis and fitting of the curves can be adapted to suit the dataset under analysis in an easy-to-use graphical user interface.

Abstract To better understand viral pathogenesis, host-virus interactions, and potential therapeutic interventions, the development of robust reverse genetics systems for SARS-CoV-2 is crucial. Here, we present a reverse genetics platform that enables the efficient manipulation, assembly, and rescue of recombinant SARS-CoV-2. The versatility of our reverse genetics system was demonstrated by generating recombinant SARS-CoV-2 viruses. We used this system to generate N501Y and Y453F spike protein mutants. Characterization studies revealed distinct phenotypic effects, impact on viral fitness, cell binding, and replication kinetics. We also investigated a recently discovered priming site for NSP9, which is postulated to produce a short RNA antisense leader sequence. By introducing the U76G mutation into the 5’UTR, we show that this priming site is necessary for the correct production of genomic and subgenomic RNAs, and also for efficient viral replication. In conclusion, our developed reverse genetics system provides a robust and adaptable platform for the efficient generation of recombinant SARS-CoV-2 viruses for their comprehensive characterization. Significance statement In this study, we present a versatile reverse genetics platform facilitating the efficient manipulation, assembly, and rescue of recombinant SARS-CoV-2. Demonstrating its adaptability, we successfully engineered N501Y and Y453F spike protein mutants, each exhibiting distinct phenotypic effects on viral fitness, cell binding, and replication kinetics. We also investigated a novel negative sense priming site for NSP9, demonstrating a role in RNA production and viral replication. This straightforward reverse genetic system is therefore a powerful tool to generate recombinant viruses for advancing our understanding of SARS-CoV-2 biology.

Abstract The 2A protein of Theiler’s murine encephalomyelitis virus (TMEV) acts as a switch to stimulate programmed −1 ribosomal frameshifting (PRF) during infection. Here we present the X-ray crystal structure of TMEV 2A and define how it recognises the stimulatory RNA element. We demonstrate a critical role for bases upstream of the originally predicted stem-loop, providing evidence for a pseudoknot-like conformation and suggesting that the recognition of this pseudoknot by beta-shell proteins is a conserved feature in cardioviruses. Through examination of PRF in TMEV-infected cells by ribosome profiling, we identify a series of ribosomal pauses around the site of PRF induced by the 2A-pseudoknot complex. Careful normalisation of ribosomal profiling data with a 2A knockout virus facilitated the identification, through disome analysis, of ribosome stacking at the TMEV frameshifting signal. These experiments provide unparalleled detail of the molecular mechanisms underpinning Theilovirus protein-stimulated frameshifting.

Abstract Human immunodeficiency virus-1 (HIV-1) uses a number of strategies to modulate viral and host gene expression during its life cycle. To characterize the transcriptional and translational landscape of HIV-1 infected cells, we used a combination of ribosome profiling, disome sequencing and RNA sequencing. We show that HIV-1 messenger RNAs are efficiently translated at all stages of infection, despite evidence for a substantial decrease in the translational efficiency of host genes that are implicated in host cell translation. Our data identify upstream open reading frames in the HIV-1 5′-untranslated region as well as internal open reading frames in the Vif and Pol coding domains. We also observed ribosomal collisions in Gag-Pol upstream of the ribosome frameshift site that we attributed to an RNA structural fold using RNA structural probing and functional analysis. Antisense oligonucleotides designed to alter the base of this structure decreased frameshift efficiency. Overall, our data highlight the complexity of HIV-1 gene regulation and provide a key resource for decoding of host–pathogen interactions upon HIV-1 infection. Furthermore, we provide evidence for a RNA structural fold including the frameshift site that could serve as a target for antiviral therapy.

Abstract Programmed ribosomal frameshifting (PRF) is a fundamental gene expression event in many viruses including SARS-CoV-2, which allows production of essential structural and replicative enzymes from an alternative reading frame. Despite the importance of PRF for the viral life cycle, it is still largely unknown how and to what extent cellular factors alter mechanical properties of frameshifting RNA molecules and thereby impact virulence. This prompted us to comprehensively dissect the interplay between the host proteome and the SARS-CoV-2 frameshift element. Here, we reveal that zinc-finger antiviral protein (ZAP-S) is a direct and specific regulator of PRF in SARS-CoV-2 infected cells. ZAP-S overexpression strongly impairs frameshifting and viral replication. Using in vitro ensemble and single-molecule techniques, we further demonstrate that ZAP-S directly interacts with the SARS-CoV-2 RNA and ribosomes and interferes with the folding of the frameshift RNA. Together these data illuminate ZAP-S as de novo host-encoded specific inhibitor of SARS-CoV-2 frameshifting and expand our understanding of RNA-based gene regulation.

Abstract Programmed −1 ribosomal frameshifting (PRF) in cardioviruses is activated by the 2A protein: a multi-functional virulence factor that also inhibits cap-dependent translational initiation. Here we present the X-ray crystal structure of 2A and show that it selectively binds to and stabilises the PRF stimulatory RNA element in the viral genome. Using optical tweezers, we define the conformational repertoire of this element and measure changes in unfolding pathways arising from mutation and 2A binding. Next, we demonstrate a strong interaction between 2A and the small ribosomal subunit and present a cryo-EM structure of 2A bound to initiated 70S ribosomes. Multiple copies of 2A bind to the 16S rRNA where they may compete for binding with initiation and elongation factors. Together, these results define the structural basis for RNA recognition by 2A, expand our understanding of the 2A-dependent gene expression switch and reveal how 2A accumulation may shut down translation during virus infection.