The COVID-19 pandemic is caused by severe acute respiratory syndrome-coronavirus-2 (SARS-CoV-2). The betacoronvirus has a positive sense RNA genome which encodes for several RNA binding proteins. Here, we use enhanced crosslinking and immunoprecipitation to investigate SARS-CoV-2 protein interactions with viral and host RNAs in authentic virus-infected cells. SARS-CoV-2 proteins, NSP8, NSP12, and nucleocapsid display distinct preferences to specific regions in the RNA viral genome, providing evidence for their shared and separate roles in replication, transcription, and viral packaging. SARS-CoV-2 proteins expressed in human lung epithelial cells bind to 4773 unique host coding RNAs. Nine SARS-CoV-2 proteins upregulate target gene expression, including NSP12 and ORF9c, whose RNA substrates are associated with pathways in protein N-linked glycosylation ER processing and mitochondrial processes. Furthermore, siRNA knockdown of host genes targeted by viral proteins in human lung organoid cells identify potential antiviral host targets across different SARS-CoV-2 variants. Conversely, NSP9 inhibits host gene expression by blocking mRNA export and dampens cytokine productions, including interleukin-1α/β. Our viral protein-RNA interactome provides a catalog of potential therapeutic targets and offers insight into the etiology of COVID-19 as a safeguard against future pandemics.

Abstract Huntington’s disease (HD) is a fatal, dominantly inherited neurodegenerative disorder caused by a CAG trinucleotide expansion in exon 1 of the huntingtin ( HTT ) gene. Although the pathogenesis of HD remains complex, the CAG-expanded (CAG EX ) HTT mRNA and protein ultimately causes disease through a toxic gain-of-function mechanism. As the reduction of pathogenic mutant HTT mRNA is beneficial as a treatment, we developed a CAG EX RNA-eliminating CRISPR-Cas13d system (Cas13d/CAG EX ) that binds and eliminates toxic CAG EX RNA in HD patient iPSC-derived striatal neurons. We show that intrastriatal delivery of Cas13d/CAG EX via a single adeno-associated viral vector, serotype 9 (AAV9) mediates significant and selective reduction of mutant HTT mRNA and protein levels within the striatum of heterozygous zQ175 mice, an established mouse model of HD. Moreover, the reduction of mutant HTT mRNA renders a sustained reversal of HD phenotypes, including improved motor coordination, attenuated striatal atrophy, and reduction of mutant HTT protein aggregates. Importantly, phenotypic improvements were durable for at least 8 months without gross or behavioral adverse effects, and with minimal off-target interactions of Cas13d/CAG EX in the mouse transcriptome. Taken together, we demonstrate a proof-of-principle of an RNA-targeting CRISPR/Cas13d system as a therapeutic approach for HD, a strategy with broad implications for the treatment of other dominantly inherited neurodegenerative disorders.

RNA binding proteins (RBPs) are key regulators of RNA processing and cellular function. Technologies to discover RNA targets of RBPs such as TRIBE (targets of RNA binding proteins identified by editing) and STAMP (surveying targets by APOBEC1 mediated profiling) utilize fusions of RNA base-editors (rBEs) to RBPs to circumvent the limitations of immunoprecipitation (CLIP)-based methods that require enzymatic digestion and large amounts of input material. To broaden the repertoire of rBEs suitable for editing-based RBP-RNA interaction studies, we have devised experimental and computational assays in a framework called PRINTER (protein-RNA interaction-based triaging of enzymes that edit RNA) to assess over thirty A-to-I and C-to-U rBEs, allowing us to identify rBEs that expand the characterization of binding patterns for both sequence-specific and broad-binding RBPs. We also propose specific rBEs suitable for dual-RBP applications. We show that the choice between single or multiple rBEs to fuse with a given RBP or pair of RBPs hinges on the editing biases of the rBEs and the binding preferences of the RBPs themselves. We believe our study streamlines and enhances the selection of rBEs for the next generation of RBP-RNA target discovery.