Most RNA viruses lack the mechanisms to recognize and correct mutations that arise during genome replication, resulting in quasispecies diversity that is required for pathogenesis and adaptation. However, it is not known how viruses encoding large viral RNA genomes such as the Coronaviridae (26 to 32 kb) balance the requirements for genome stability and quasispecies diversity. Further, the limits of replication infidelity during replication of large RNA genomes and how decreased fidelity impacts virus fitness over time are not known. Our previous work demonstrated that genetic inactivation of the coronavirus exoribonuclease (ExoN) in nonstructural protein 14 (nsp14) of murine hepatitis virus results in a 15-fold decrease in replication fidelity. However, it is not known whether nsp14-ExoN is required for replication fidelity of all coronaviruses, nor the impact of decreased fidelity on genome diversity and fitness during replication and passage. We report here the engineering and recovery of nsp14-ExoN mutant viruses of severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV) that have stable growth defects and demonstrate a 21-fold increase in mutation frequency during replication in culture. Analysis of complete genome sequences from SARS-ExoN mutant viral clones revealed unique mutation sets in every genome examined from the same round of replication and a total of 100 unique mutations across the genome. Using novel bioinformatic tools and deep sequencing across the full-length genome following 10 population passages in vitro, we demonstrate retention of ExoN mutations and continued increased diversity and mutational load compared to wild-type SARS-CoV. The results define a novel genetic and bioinformatics model for introduction and identification of multi-allelic mutations in replication competent viruses that will be powerful tools for testing the effects of decreased fidelity and increased quasispecies diversity on viral replication, pathogenesis, and evolution.

ABSTRACT Replication fidelity of RNA virus genomes is constrained by the opposing necessities of generating sufficient diversity for adaptation and maintaining genetic stability, but it is unclear how the largest viral RNA genomes have evolved and are maintained under these constraints. A coronavirus (CoV) nonstructural protein, nsp14, contains conserved active-site motifs of cellular exonucleases, including DNA proofreading enzymes, and the severe acute respiratory syndrome CoV (SARS-CoV) nsp14 has 3′-to-5′ exoribonuclease (ExoN) activity in vitro. Here, we show that nsp14 ExoN remarkably increases replication fidelity of the CoV murine hepatitis virus (MHV). Replacement of conserved MHV ExoN active-site residues with alanines resulted in viable mutant viruses with growth and RNA synthesis defects that during passage accumulated 15-fold more mutations than wild-type virus without changes in growth fitness. The estimated mutation rate for ExoN mutants was similar to that reported for other RNA viruses, whereas that of wild-type MHV was less than the established rates for RNA viruses in general, suggesting that CoVs with intact ExoN replicate with unusually high fidelity. Our results indicate that nsp14 ExoN plays a critical role in prevention or repair of nucleotide incorporation errors during genome replication. The established mutants are unique tools to test the hypothesis that high replication fidelity is required for the evolution and stability of large RNA genomes.

Live, attenuated RNA virus vaccines are efficacious but subject to reversion to virulence. Among RNA viruses, replication fidelity is recognized as a key determinant of virulence and escape from antiviral therapy; increased fidelity is attenuating for some viruses. Coronavirus (CoV) replication fidelity is approximately 20-fold greater than that of other RNA viruses and is mediated by a 3'→5' exonuclease (ExoN) activity that probably functions in RNA proofreading. In this study we demonstrate that engineered inactivation of severe acute respiratory syndrome (SARS)-CoV ExoN activity results in a stable mutator phenotype with profoundly decreased fidelity in vivo and attenuation of pathogenesis in young, aged and immunocompromised mice. The ExoN inactivation genotype and mutator phenotype are stable and do not revert to virulence, even after serial passage or long-term persistent infection in vivo. ExoN inactivation has potential for broad applications in the stable attenuation of CoVs and, perhaps, other RNA viruses.