Abstract The COVID-19 pandemic is caused by SARS-CoV-2, a novel coronavirus that spilled from the bat reservoir. Despite numerous clinical trials and vaccines, the burden remains immense, and the host determinants of SARS-CoV-2 susceptibility and COVID-19 severity remain largely unknown. Signatures of positive selection detected by comparative functional-genetic analyses in primate and bat genomes can uncover important and specific adaptations that occurred at virus-host interfaces. Here, we performed high-throughput evolutionary analyses of 334 SARS- CoV-2 interacting proteins to identify SARS-CoV adaptive loci and uncover functional differences between modern humans, primates and bats. Using DGINN (Detection of Genetic INNovation), we identified 38 bat and 81 primate proteins with marks of positive selection. Seventeen genes, including the ACE2 receptor, present adaptive marks in both mammalian orders, suggesting common virus-host interfaces and past epidemics of coronaviruses shaping their genomes. Yet, 84 genes presented distinct adaptations in bats and primates. Notably, residues involved in ubiquitination and phosphorylation of the inflammatory RIPK1 have rapidly evolved in bats but not primates, suggesting different inflammation regulation versus humans. Furthermore, we discovered residues with typical virus-host arms-race marks in primates, such as in the entry factor TMPRSS2 or the autophagy adaptor FYCO1, pointing to host-specific in vivo important interfaces that may be drug targets. Finally, we found that FYCO1 sites under adaptation in primates are those associated with severe COVID-19, supporting their importance in pathogenesis and replication. Overall, we identified functional adaptations involved in SARS- CoV-2 infection in bats and primates, critically enlightening modern genetic determinants of virus susceptibility and severity. Key findings: Evolutionary history of 334 SARS-CoV-2 interacting proteins (VIPs) in bats and primates identifying how the past has shaped modern viral reservoirs and humans – results publicly-available in an online resource. Identification of 81 primate and 38 bat VIPs with signatures of adaptive evolution. The common ones among species delineate a core adaptive interactome, while the ones displaying distinct evolutionary trajectories enlighten host lineage-specific determinants. Evidence of primate specific adaptation of the entry factor TMPRSS2 pointing to its host- specific in vivo importance and predicting molecular interfaces. FYCO1 sites associated with severe COVID-19 in human (GWAS) display hallmarks of ancient adaptive evolution in primates, highlighting its importance in SARS-CoV-2 replication or pathogenesis and differences with the bat reservoir. Identification of adaptive evolution in the bat’s multifunctional RIPK1 at residues that may differentially regulate inflammation.

ABSTRACT The HIV-1 Vif protein is essential for viral fitness and pathogenicity. Vif decreases expression of cellular restriction factors APOBEC3G (A3G), A3F, A3D and A3H, which inhibit HIV-1 replication by inducing hypermutation during reverse transcription. Vif counteracts A3G at several levels (transcription, translation and protein degradation) that together reduce the levels of A3G in cells and prevent its incorporation into viral particles. How Vif affects A3G translation remains unclear. Here, we uncovered the importance of a short conserved uORF (upstream ORF) located within two critical stem-loop structures of the 5’ untranslated region (5’UTR) of A3G mRNA for this process. A3G translation occurs through a combination of leaky-scanning and translation re-initiation and the presence of an intact uORF decreases the extent of global A3G translation under normal conditions. Interestingly, the uORF is also absolutely required for Vif-mediated translation inhibition and redirection of A3G mRNA into stress granules. Overall, we discovered that A3G translation is regulated by a small uORF conserved in the human population and that Vif uses this specific feature to repress its translation.

Abstract The HUSH complex (composed of TASOR, MPP8 and periphilin) represses HIV-1 expression from its promoter by inducing both propagation of repressive epigenetic marks and degradation of the nascent transcript. Vpx from HIV-2, and Vpr proteins from some simian lentiviruses (SIVs), antagonize HUSH, thereby increasing proviral expression. The chromatin-remodelling MORC2 protein plays a critical role in the epigenetic silencing of host genes by HUSH. Here, we deciphered the role of MORC2 in retroviral silencing. We show that MORC2, in contrast to HUSH components, presents strong signatures of positive selection during primate evolution. Like HUSH, MORC2 represses proviral expression in two models of HIV-1 latency. However, while HUSH is degraded upon HIV-2 infection in a Vpx-dependent manner, MORC2 levels are increased, raising the question of a feedback control mechanism without HUSH. Upon infection with an HIV-1-derived virus, MORC2 and TASOR antiviral effects are interdependent. However, once the lentiviral DNA is integrated into the host genome, MORC2 may maintain the repression independently of HUSH. At the post-transcriptional level, both MORC2 and HUSH act in association with CNOT1 of the CCR4-NOT deadenylase complex and the TRAMP-like PAXT complex. Finally, MORC2, but not HUSH components, is expressed in primary quiescent CD4+ T cells. Altogether, our data highlight MORC2 as an HIV restriction factor and a chromatin remodelling protein operating both at the transcriptional and post-transcriptional levels. We speculate that MORC2 could serve as an immune gatekeeper following HUSH inactivation by Vpx and contribute to the maintenance of retroviral silencing in reservoir CD4+ T cells. Significance statement One hurdle to HIV eradication is viral latency, which refers to the persistence of the virus in reservoir cells despite antiretroviral treatment. The HUSH complex represses HIV expression, once the viral genome is integrated into the host genome. HUSH activity on host genes depends on MORC2, a protein incriminated in the Charcot-Marie-Tooth neuronal disease. Here, we first show that MORC2 presents signs of evolutionary arms-races in primates. Furthermore, MORC2 contributes to HIV silencing in cooperation with HUSH, but also, likely without HUSH. Despite identified as a chromatin remodeler, MORC2 also works at a post-transcriptional level. Altogether, MORC2 appears as a host defense factor, which plays a role in HIV latency.

Abstract The InterFeron-Induced TransMembrane proteins (IFITMs) are broad viral inhibitors that protect cells by preventing viral-to-cellular membrane fusion and they belong to the dispanin/CD225 family that includes vesicle trafficking regulators and proteins of unknown functions into four subfamilies (A-D). In this study, we uncover a novel domain that regulates the egress of IFITM3 from the Golgi and that is required to prevent IFITM3-driven v- to t-SNAREs membrane fusion inhibition and Golgi dysfunctions. The S-x-K-x-R-D domain is conserved among vertebrate members of the dispanin/CD225 A subfamily that regroups all IFITMs and through the study of mutations identified in patients affected by paroxysmal kinesigenic dyskinesia (PKD), we determine that it is functionally conserved also in PRRT2, member of the B subfamily. Overall, our study defines a novel domain that regulates the egress of dispanin/CD225 members from the Golgi and stresses the importance that regulation of this process bears to preserve the functions of this apparatus.

Abstract Several bat species act as asymptomatic reservoirs for many viruses that are instead highly pathogenic in other mammals. Here, we have characterized the functional diversification of the Protein kinase R (PKR), a major antiviral innate defense system. Our data indicate that PKR has evolved under positive selection and has undergone repeated genomic duplications in bats, in contrast to all studied mammals that possess a single copy of the gene. Functional testing of the relationship between PKR and poxvirus antagonists revealed how an evolutionary conflict with ancient pathogenic poxviruses has shaped a specific bat host-virus interface. More importantly, we determined that duplicated PKRs of the Myotis species have undergone functional diversification allowing them to collectively escape from and enhance control of DNA and RNA viruses. These findings suggest that viral-driven adaptations in PKR contribute to modern virus-bat interactions and may account for bat specific immunity.

Abstract Sterile alpha motif domain-containing proteins 9 and 9L (SAMD9/9L) are associated with life-threatening genetic diseases and are restriction factors of poxviruses. Yet, their cellular function and the extent of their antiviral role are poorly known. Here, we found that interferon-stimulated SAMD9L, and not SAMD9, restricts HIV-1 replication at the translation step, with a strong inhibition of Transmitted/Founder HIV-1 patient strains. More broadly, SAMD9L restricts primate lentiviruses, but not another retrovirus (MLV) or two ssRNA viruses (MOPV, VSV). Using structural modeling and mutagenesis of SAMD9L, we identified a Schlafen(SLFN)-like active site necessary for HIV-1 restriction. By testing a germline gain-of-function variant from patients with SAMD9L-associated autoinflammatory disease (SAAD) and ataxia-pancytopenia (ATXPC), we determined that SAMD9L cellular and pathogenic functions also depend on the SLFN-like active site. Finally, we propose a model in which SAMD9L translational repression could be dependent on codon-usage, linking its cellular function and the virus-specific innate immunity. The identification of another Achille’s heel of HIV, as well as the inflammatory SAMD9L effector and auto-regulatory determinants, provide novel avenues against infectious and genetic diseases. Significance statement This study identifies SAMD9L as a potent HIV-1 antiviral factor from the interferon immunity and deciphers the host determinants underlying SAMD9L translational repression. The characterization of SAMD9L activity and determinants is also of medical importance for patients with rare genetic diseases bearing deleterious mutations in SAMD9L or with specific cancers. We demonstrate that a pathogenic SAMD9L patient’s variant is inactivated by the mutation of an identified active site in a SLFN-like box, resulting in an abolished translational shutdown. Furthermore, we describe SAMD9L, but not SAMD9, as an antiviral factor of HIV and lentiviruses, through a translational repression mediated by the SLFN-like box and potentially dependent on codon usage. These findings may have implications to better fight against HIV/AIDS as well as SAAD/ATXPC. Key findings - SAMD9L, but not SAMD9, restricts HIV-1, including Transmitted/Founder patient strains. - SAMD9L broadly restricts primate lentiviruses, but not the retrovirus MLV, nor two ssRNA viruses, the Rhabdovirus VSV and the Arenavirus MOPV. - SAMD9L inhibits viral and cellular translation through an essential E198/D243 active site in a SLFN-like box. - The SAMD9L-associated autoinflammatory disease (SAAD) F886Lfs*11 variant has enhanced HIV translational repression, unveiling an autoregulatory domain of the anti-lentiviral function.

ABSTRACT SAMHD1 and the HUSH complex constitute two successive blocks during primate lentivirus infection, the first by limiting reverse transcription and the second by interfering with the expression of integrated proviruses. Vpr and Vpx proteins of specific lentiviral lineages have evolved to antagonize these antiviral proteins. However, while the antagonism of SAMHD1 by Vpr/Vpx proteins has been relatively well characterized, the evolutionary features of the antagonism against the HUSH complex and its relationship with SAMHD1 are poorly known. Here, we used chimeric Vpr proteins between SIVagm.Ver and SIVagm.Gri lentiviruses infecting two African green monkey species, Chlorocebus pygerythrus and aethiops, respectively, to investigate viral determinants involved in HUSH and SAMHD1 antagonism. First, we found that different interfaces of closely related Vpr proteins are engaged to degrade different SAMHD1 haplotypes. Second, we identified distinct viral determinants in SIVagm.Ver Vpr for SAMHD1 and HUSH degradation. Third, the substitution of only one residue in SIVagm.Gri Vpr is sufficient to gain the capacity to degrade HUSH or SAMHD1. Finally, we showed that Vpx from the HIV-2/SIVsmm lineage cannot degrade HUSH in owl monkey cells, suggesting host species-specificity in HUSH antagonism. Altogether, we highlight the molecular plasticity of small viral proteins to adapt to diverse host restrictions. Our results support a model in which HUSH, like SAMHD1, may have been engaged in ancient and more recent coevolution with lentiviruses and therefore a player in viral fitness in natural infections. IMPORTANCE Antiviral host proteins, the so-called restriction factors, block lentiviruses at different steps of their viral life cycle. In return, primate lentiviruses may counteract these immune proteins to efficiently spread in vivo . HIV-2 and some SIVs, but not HIV-1, inactivate SAMHD1 and HUSH, two host antiviral proteins, thanks to their Vpx or Vpr viral proteins. We uncovered here viral determinants of closely related Vpr proteins from SIVs of African green monkeys involved in SAMHD1 and HUSH antagonism. We show how these small viral proteins differently adapted to SAMHD1 polymorphism and to HUSH restriction and highlight their molecular plasticity. Finally, the capacity of divergent lentiviral proteins to induce the degradation of HUSH depends of the cell/host species. Altogether, our results suggest that HUSH has been engaged in a molecular arms-race along evolution, and therefore is a key player in host-pathogens interaction.

Adaptive evolution has shaped major biological processes. Finding the protein-coding genes and the sites that have been subjected to adaptation during evolutionary time is a major endeavor. However, very few methods fully automate the identification of positively selected genes, and widespread sources of genetic innovations as gene duplication and recombination are absent from most pipelines. Here, we developed DGINN, a highly-flexible and public pipeline to Detect Genetic INNovations and adaptive evolution in protein-coding genes. DGINN automates, from a gene's sequence, all steps of the evolutionary analyses necessary to detect the aforementioned innovations, including the search for homologues in databases, assignation of orthology groups, identification of duplication and recombination events, as well as detection of positive selection using five different methods to increase precision and ranking of genes when a large panel is analyzed. DGINN was validated on nineteen genes with previously-characterized evolutionary histories in primates, including some engaged in host-pathogen arms-races. The results obtained with DGINN confirm and also expand results from the literature, establishing DGINN as an efficient tool to automatically detect genetic innovations and adaptive evolution in diverse datasets, from the user's gene of interest to a large gene list in any species range.

ABSTRACT ISG20 is an interferon-induced 3’-to-5’ RNA exonuclease that acts as a broad antiviral factor. At present, the features that expose RNA to ISG20 remain unclear, although recent studies have pointed to the modulatory role of epitranscriptomic modifications in the susceptibility of target RNAs to ISG20. These findings raise the question as to how cellular RNAs, on which these modifications are abundant, cope with ISG20. To obtain an unbiased perspective on this topic, we used RNAseq and biochemical assays to identify elements that regulate the behavior of RNAs against ISG20. The results we have obtained indicate that poly(A)-binding protein (PABP1) loading on the RNA 3’ tail provides a primal protection against ISG20, easily explaining the overall protection of cellular mRNAs observed by RNAseq. The second element we uncovered is provided by terminal stem-loop RNA structures, that have been associated to ISG20 protection before, but that we re-examine here systematically to define the stabilities that tilt the balance between resistance and susceptibility to ISG20. Given that these elements are present on cellular mRNAs, but can be co-opted by viruses as well, these results shed new light on the complex interplay that regulates the susceptibility of different classes of viruses against ISG20.