Molnupiravir is an orally available antiviral drug candidate currently in phase III trials for the treatment of patients with COVID-19. Molnupiravir increases the frequency of viral RNA mutations and impairs SARS-CoV-2 replication in animal models and in humans. Here, we establish the molecular mechanisms underlying molnupiravir-induced RNA mutagenesis by the viral RNA-dependent RNA polymerase (RdRp). Biochemical assays show that the RdRp uses the active form of molnupiravir, β-D-N

Abstract Remdesivir is the only FDA-approved drug for the treatment of COVID-19 patients. The active form of remdesivir acts as a nucleoside analog and inhibits the RNA-dependent RNA polymerase (RdRp) of coronaviruses including SARS-CoV-2. Remdesivir is incorporated by the RdRp into the growing RNA product and allows for addition of three more nucleotides before RNA synthesis stalls. Here we use synthetic RNA chemistry, biochemistry and cryo-electron microscopy to establish the molecular mechanism of remdesivir-induced RdRp stalling. We show that addition of the fourth nucleotide following remdesivir incorporation into the RNA product is impaired by a barrier to further RNA translocation. This translocation barrier causes retention of the RNA 3ʹ-nucleotide in the substrate-binding site of the RdRp and interferes with entry of the next nucleoside triphosphate, thereby stalling RdRp. In the structure of the remdesivir-stalled state, the 3ʹ-nucleotide of the RNA product is matched and located with the template base in the active center, and this may impair proofreading by the viral 3ʹ-exonuclease. These mechanistic insights should facilitate the quest for improved antivirals that target coronavirus replication.

Molnupiravir is an orally available antiviral drug candidate that is in phase III trials for the treatment of COVID-19 patients 1,2 . Molnupiravir increases the frequency of viral RNA mutations 3,4 and impairs SARS-CoV-2 replication in animal models 4-6 and in patients 2 . Here we establish the molecular mechanisms that underlie molnupiravir-induced RNA mutagenesis by the RNA-dependent RNA polymerase (RdRp) of the coronavirus SARS-CoV-2. Biochemical assays show that the RdRp readily uses the active form of molnupiravir, β-D-N4-hydroxycytidine (NHC) triphosphate, as a substrate instead of CTP or UTP. Incorporation of NHC monophosphate into nascent RNA does not impair further RdRp progression. When the RdRp uses the resulting RNA as a template, NHC directs incorporation of either G or A, leading to mutated RNA products. Structural analysis of RdRp-RNA complexes containing mutagenesis products shows that NHC can form stable base pairs with either G or A in the RdRp active center, explaining how the polymerase escapes proofreading and synthesizes mutated RNA. This two-step mutagenesis mechanism likely applies to various viral polymerases and can explain the broad-spectrum antiviral activity of molnupiravir.

Remdesivir is the only FDA-approved drug for the treatment of COVID-19 patients 1–4 . The active form of remdesivir acts as a nucleoside analogue and inhibits the RNA-dependent RNA polymerase (RdRp) of coronaviruses including SARS-CoV-2 5–7 . Remdesivir is incorporated by the RdRp into the growing RNA product and allows for addition of three more nucleotides before RNA synthesis stalls 6,8 . Here we use synthetic RNA chemistry, biochemistry and cryo-electron microscopy to establish the molecular mechanism of remdesivir-induced RdRp stalling. We show that addition of the fourth nucleotide following remdesivir incorporation into the RNA product is impaired by a barrier to further RNA translocation. This translocation barrier causes retention of the RNA 3’-nucleotide in the substrate-binding site of the RdRp and interferes with entry of the next nucleoside triphosphate, thereby stalling RdRp. In the structure of the remdesivir-stalled state, the 3’-nucleotide of the RNA product is matched with the template base, and this may prevent proofreading by the viral 3’-exonuclease that recognizes mismatches 9,10 . These mechanistic insights should facilitate the quest for improved antivirals that target coronavirus replication.

The coronavirus SARS-CoV-2 uses an RNA-dependent RNA polymerase (RdRp) to replicate and transcribe its genome. Structures of the RdRp revealed a monomeric enzyme composed of the catalytic subunit nsp12, two copies of subunit nsp8, and one copy of subunit nsp7. Here we report an alternative, dimeric form of the coronavirus polymerase and resolve its structure at 4.8 Å resolution. In this structure, the two RdRps contain only one copy of nsp8 and dimerize via their nsp7 subunits to adopt an antiparallel arrangement. We speculate that the RdRp dimer facilitates template switching during production of sub-genomic RNAs for transcription.

Abstract RNA polymerase III (RNAPIII) synthesizes essential and abundant non-coding RNAs such as tRNAs. Controlling RNAPIII span of activity by accurate and efficient termination is a challenging necessity to ensure robust gene expression and to prevent conflicts with other DNA-associated machineries. The mechanism of RNAPIII termination is believed to be simpler than that of other eukaryotic RNA polymerases, solely relying on the recognition of a T-tract in the non-template strand. Here we combine high-resolution genome-wide analyses and in vitro transcription termination assays to revisit the mechanism of RNAPIII transcription termination in budding yeast. We show that T-tracts are necessary but not always sufficient for termination and that secondary structures of the nascent RNAs are important auxiliary cis-acting elements. Moreover, we show that the helicase Sen1 plays a key role in a fail-safe termination pathway. Our results provide a comprehensive model illustrating how multiple mechanisms cooperate to ensure efficient RNAPIII transcription termination.

ABSTRACT UV (ultra-violet) crosslinking with mass spectrometry (XL-MS) has been established for identifying RNA-and DNA-binding proteins along with their domains and amino acids involved. Here, we explore chemical XL-MS for RNA-protein, DNA-protein, and nucleotide-protein complexes in vitro and in vivo . We introduce a specialized nucleotide-protein-crosslink search engine, NuXL, for robust and fast identification of such crosslinks at amino acid resolution. Chemical XL-MS complements UV XL-MS by generating different crosslink species, increasing crosslinked protein yields in vivo almost four-fold and thus it expands the structural information accessible via XL-MS. Our workflow facilitates integrative structural modelling of nucleic acid–protein complexes and adds spatial information to the described RNA-binding properties of enzymes, for which crosslinking sites are often observed close to their cofactor-binding domains. In vivo UV and chemical XL-MS data from E. coli cells analysed by NuXL establish a comprehensive nucleic acid–protein crosslink inventory with crosslink sites at amino acid level for more than 1500 proteins. Our new workflow combined with the dedicated NuXL search engine identified RNA crosslinks that cover most RNA-binding proteins, with DNA and RNA crosslinks detected in transcriptional repressors and activators.