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.

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.

Summary Many disease-causing microbes are not obligate pathogens; rather, they are environmental microbes taking advantage of an ecological opportunity. The existence of microbes that are not normally pathogenic, yet are well-suited to host exploitation, is an evolutionary paradox. One hypothesis posits that selection in the environment may favor traits that incidentally lead to pathogenicity and virulence, or serve as pre-adaptations for survival in a host. An example of such a trait is surface adherence. To experimentally test the idea of “accidental virulence”, replicate populations of the yeast, Saccharomyces cerevisiae , which can be an opportunistic pathogen, were evolved to attach to a plastic bead for hundreds of generations. Along with plastic adherence, two multicellular phenotypes— biofilm formation and flor formation— increased; another phenotype, pseudohyphal growth, responded to the nutrient limitation. Thus, experimental selection led to the evolution of highly-adherent, hyper-multicellular strains. Wax moth larvae injected with evolved hyper-multicellular strains were significantly more likely to die than those injected with evolved non-multicellular strains. Hence, selection on plastic adherence incidentally led to the evolution of enhanced multicellularity and increased virulence. Our results support the idea that selection in the environment for a trait unrelated to virulence can inadvertently generate opportunistic, “accidental” pathogens.