Significance Emerging coronaviruses (CoVs; severe acute respiratory syndrome-CoV and Middle East respiratory syndrome-CoV) pose serious health threats globally, with no specific antiviral treatments available. These viruses are able to faithfully synthesize their large genomic RNA. We report, however, that their main RNA polymerase, nsp12, is not accurate. To achieve accuracy, CoVs have acquired nsp14, a bifunctional enzyme able to methylate the viral RNA cap [methyltransferase (MTase)] and excise erroneous mutagenic nucleotides inserted by nsp12. Strikingly, ribavirin can be excised from the viral genome, thus showing no antiviral activity. The crystal structure of nsp14 shows that it is unique, having been replaced by other MTase types during evolution. This unprecedented RNA correction machinery has allowed RNA genome size expansion, but also provided potential nucleoside drug resistance to these deadly pathogens.

The rapid global emergence of SARS-CoV-2 has been the cause of significant health concern, highlighting the immediate need for antivirals. Viral RNA-dependent RNA polymerases (RdRp) play essential roles in viral RNA synthesis, and thus remains the target of choice for the prophylactic or curative treatment of several viral diseases, due to high sequence and structural conservation. To date, the most promising broad-spectrum class of viral RdRp inhibitors are nucleoside analogues (NAs), with over 25 approved for the treatment of several medically important viral diseases. However, Coronaviruses stand out as a particularly challenging case for NA drug design due to the presence of an exonuclease (ExoN) domain capable of excising incorporated NAs and thus providing resistance to many of these available antivirals. Here we use the available structures of the SARS-CoV RdRp and ExoN proteins, as well as Lassa virus N exonuclease to derive models of catalytically competent SARS-CoV-2 enzymes. We then map a promising NA candidate, GS-441524 (the active metabolite of Remdesivir) to the nucleoside active site of both proteins, identifying the residues important for nucleotide recognition, discrimination, and excision. Interestingly, GS-441524 addresses both enzyme active sites in a manner consistent with significant incorporation, delayed chain termination, and altered excision due to the ribose 1'-CN group, which may account for the increased antiviral effect compared to other available analogues. Additionally, we propose structural and function implications of two previously identified RdRp resistance mutations in relation to resistance against Remdesivir. This study highlights the importance of considering the balance between incorporation and excision properties of NAs between the RdRp and ExoN.

Abstract The ongoing Corona Virus Disease 2019 (COVID-19) pandemic, caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus-2 (SARS-CoV-2), has emphasized the urgent need for antiviral therapeutics. The viral RNA-dependent-RNA-polymerase (RdRp) is a promising target with polymerase inhibitors successfully used for the treatment of several viral diseases. We demonstrate here that Favipiravir predominantly exerts an antiviral effect through lethal mutagenesis. The SARS-CoV RdRp complex is at least 10-fold more active than any other viral RdRp known. It possesses both unusually high nucleotide incorporation rates and high-error rates allowing facile insertion of Favipiravir into viral RNA, provoking C-to-U and G-to-A transitions in the already low cytosine content SARS-CoV-2 genome. The coronavirus RdRp complex represents an Achilles heel for SARS-CoV, supporting nucleoside analogues as promising candidates for the treatment of COVID-19.

The nucleotide analog Remdesivir (RDV) is the only FDA-approved antiviral therapy to treat infection by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2). The physical basis for efficient utilization of RDV by SARS-CoV-2 polymerase is unknown. Here, we characterize the impact of RDV and other nucleotide analogs on RNA synthesis by the polymerase using a high-throughput, single-molecule, magnetic-tweezers platform. The location of the modification in the ribose or in the base dictates the catalytic pathway(s) used for its incorporation. We reveal that RDV incorporation does not terminate viral RNA synthesis, but leads the polymerase into deep backtrack, which may appear as termination in traditional ensemble assays. SARS-CoV-2 is able to evade the endogenously synthesized product of the viperin antiviral protein, ddhCTP, though the polymerase incorporates this nucleotide analog well. This experimental paradigm is essential to the discovery and development of therapeutics targeting viral polymerases.

Abstract Expression from transfected plasmid DNA is generally transient, but little do we know on what limits this. Live-cell imaging revealed that DNA transfected into mammalian cells was either captured directly in the cytoplasm, or was soon expelled from the nucleus, upon its entry. In the cytoplasm, plasmid DNA was rapidly surrounded by a double membrane and frequently colocalized with extra-chromosomal DNA of telomeric origin, also expelled from the nucleus. Therefore, we termed this long-term maintained structure exclusome. The exclusome envelope contains endoplasmic reticulum proteins, the inner-nuclear membrane proteins Lap2β and Emerin but differs from the nuclear envelope by the absence of the Lamin B Receptor, nuclear pore complexes and by the presence of fenestrations. Further, Emerin affects the frequency of cells with exclusomes. Thus, cells wrap chromosomes and extra-chromosomal DNA into similar yet distinct envelopes. Thereby, they distinguish, sort, cluster, package, and keep extra-chromosomal DNA in the exclusome but chromosomal DNA in the nucleus, where transcription occurs.

Abstract The Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus (SARS-CoV) emergence in 2003 introduced the first serious human coronavirus pathogen to an unprepared world. To control emerging viruses, existing successful anti(retro)viral therapies can inspire antiviral strategies, as conserved viral enzymes (eg., viral proteases and RNA-dependent RNA polymerases) represent targets of choice. Since 2003, much effort has been expended in the characterization of the SARS-CoV replication/transcription machinery. Until recently, a pure and highly active preparation of SARS-CoV recombinant RNA synthesis machinery was not available, impeding target-based high throughput screening of drug candidates against this viral family. The current Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus-2 (SARS-CoV-2) pandemic revealed a new pathogen whose RNA synthesis machinery is highly (>96% aa identity) homologous to SARS-CoV. This phylogenetic relatedness highlights the potential use of conserved replication enzymes to discover inhibitors against this significant pathogen, which in turn, contributes to scientific preparedness against emerging viruses. Here, we report the use of a purified and highly active SARS-CoV replication/transcription complex (RTC) to set-up a high-throughput screening of Coronavirus RNA synthesis inhibitors. The screening of a small (1,520 compounds) chemical library of FDA-approved drugs demonstrates the robustness of our assay and will allow to speed-up drug repositioning or novel drug discovery against the SARS-CoV-2. Principle of SARS-CoV RNA synthesis detection by a fluorescence-based high throughput screening assay Highlights - A new SARS-CoV non radioactive RNA polymerase assay is described - The robotized assay is suitable to identify RdRp inhibitors based on HTS