A newly described coronavirus named severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), which is the causative agent of coronavirus disease 2019 (COVID-19), has infected over 2.3 million people, led to the death of more than 160,000 individuals and caused worldwide social and economic disruption1,2. There are no antiviral drugs with proven clinical efficacy for the treatment of COVID-19, nor are there any vaccines that prevent infection with SARS-CoV-2, and efforts to develop drugs and vaccines are hampered by the limited knowledge of the molecular details of how SARS-CoV-2 infects cells. Here we cloned, tagged and expressed 26 of the 29 SARS-CoV-2 proteins in human cells and identified the human proteins that physically associated with each of the SARS-CoV-2 proteins using affinity-purification mass spectrometry, identifying 332 high-confidence protein-protein interactions between SARS-CoV-2 and human proteins. Among these, we identify 66 druggable human proteins or host factors targeted by 69 compounds (of which, 29 drugs are approved by the US Food and Drug Administration, 12 are in clinical trials and 28 are preclinical compounds). We screened a subset of these in multiple viral assays and found two sets of pharmacological agents that displayed antiviral activity: inhibitors of mRNA translation and predicted regulators of the sigma-1 and sigma-2 receptors. Further studies of these host-factor-targeting agents, including their combination with drugs that directly target viral enzymes, could lead to a therapeutic regimen to treat COVID-19.

Abstract DDX3 is a DEAD-box RNA helicase that regulates translation and is encoded by the X- and Y-linked paralogs DDX3X and DDX3Y . While DDX3X is ubiquitously expressed in human tissues and essential for viability, DDX3Y is male-specific and shows lower and more variable expression than DDX3X in somatic tissues. Heterozygous genetic lesions in DDX3X mediate a class of developmental disorders called DDX3X syndrome, while loss of DDX3Y is implicated in male infertility. One possible explanation for female-bias in DDX3X syndrome is that DDX3Y encodes a polypeptide with different biochemical activity. In this study, we use ribosome profiling and in vitro translation to demonstrate that the X- and Y-linked paralogs of DDX3 play functionally redundant roles in translation. We find that transcripts that are sensitive to DDX3X depletion or mutation are rescued by complementation with DDX3Y. Our data indicate that DDX3X and DDX3Y proteins can functionally complement each other in human cells. DDX3Y is not expressed in a large fraction of the central nervous system. These findings suggest that expression differences, not differences in paralog-dependent protein synthesis, underlie the sex-bias of DDX3X-associated diseases.

Organisms have evolved multiple mechanisms to prevent and repair DNA damage to protect the integrity of the genome, particularly under stressful conditions. Unrepaired DNA damage leads to genomic instability, aneuploidy, and an increased risk for cancer. Before the cell can divide, it must repair damaged DNA and it is thought that this process requires global silencing of most transcription. In C. elegans, NRDE-2, in complex with other nuclear factors and guided by small RNA, directs heterochromatin formation and transcriptional silencing of targeted genes. Additionally, when C. elegans are cultivated at high temperatures, NRDE-2 is required to maintain germ line immortality. However, the role of NRDE-2 in maintaining the physical integrity of the genome is not understood. We show here that loss of NRDE2 in either nematode or human cells induces the accumulation of DNA damage specifically under conditions of stress, such as cultivation at a high temperature in C. elegans or Aurora B Kinase oncogenic overexpression in the MCF10A epithelial breast cell line. In addition, we found that NRDE2 interacts with β-actin in unstressed mammalian cells. This interaction is dramatically reduced upon DNA damage. The oligomerization state of nuclear actin alters its association with targets, which in turn, regulates their function. Monomeric nuclear actin binds to heterochromatin remodeling factors and transcriptional activators while filamentous actin has been implicated in DNA repair processes. Here we show that NRDE2 associates with actin only when DNA is intact and the bulk of nuclear actin is monomeric. Thus, NRDE2 may dissociate from actin when it becomes filamentous as a result of DNA damage. This implies that, NRDE2, in its role as a heterochromatin factor, binds to monomeric actin, protecting the genome from DNA damage in stressful conditions. In this way, heterochromatin factors may associate with the actin dependent DNA repair process to allow appropriate mitotic progression and maintain genomic integrity.

Abstract The road from transcription to protein synthesis is paved with many obstacles, allowing for several modes of post-transcriptional regulation of gene expression. A fundamental player in mRNA biology is DDX3X, an RNA binding protein that canonically regulates mRNA translation. By monitoring dynamics of mRNA abundance and translation following DDX3X depletion, we observe stabilization of translationally suppressed mRNAs. We use interpretable statistical learning models to uncover GC content in the coding sequence as the major feature underlying RNA stabilization. This result corroborates GC content-related mRNA regulation detectable in other studies, including hundreds of ENCODE datasets and recent work focusing on mRNA dynamics in the cell cycle. We provide further evidence for mRNA stabilization by detailed analysis of RNA-seq profiles in hundreds of samples, including a Ddx3x conditional knockout mouse model exhibiting cell cycle and neurogenesis defects. Our study identifies a ubiquitous feature underlying mRNA regulation and highlights the importance of quantifying multiple steps of the gene expression cascade, where RNA abundance and protein production are often uncoupled.

DDX3 is an RNA chaperone of the DEAD-box family that regulates translation. Its yeast ortholog Ded1 controls the translation of nearly all mRNAs, whereas DDX3 is thought to regulate only a subset of mRNAs. However, the set of mRNAs that are regulated by DDX3 are unknown, along with the relationship between DDX3 binding and activity. Here, we use ribosome profiling, RNA-seq, and PAR-CLIP to define the set of mRNAs that are regulated by DDX3 in human cells. We find that while DDX3 binds most expressed mRNAs, depletion of DDX3 affects the translation level of only a small subset of the transcriptome. We further find that DDX3 binds a site on helix 16 of the human ribosome, placing it immediately adjacent to the mRNA entry channel and translation factor eIF4B. Translation changes caused by depleting DDX3 levels or through chemical inhibition mimicking a dominant negative allele are different. Taken together, our data defines the subset of the transcriptome that is responsive to DDX3 inhibition, with relevance for basic biology and disease states where DDX3 expression is altered.

This study created a protein-protein interaction map of all the proteins present within the SARS-CoV-2 virus and humans. Understanding how viral proteins interact with human proteins gives researchers targets for the repurposing of drugs to treat COVID-19

Abstract Ribosome biogenesis in eukaryotes requires stoichiometric production and assembly of 80 ribosomal proteins (RPs) and 4 ribosomal RNAs, and its rate must be coordinated with cellular growth. The indispensable regulator of RP biosynthesis is the 5’-terminal oligopyrimidine (TOP) motif, spanning the transcription start site of all RP genes. Here we show that the Microprocessor complex, previously linked to the first step of processing microRNAs (miRNAs), coregulates RP expression by binding the TOP motif of nascent RP mRNAs and stimulating transcription elongation via resolution of DNA/RNA hybrids. Cell growth arrest triggers nuclear export and degradation of the Microprocessor protein Drosha by the E3 ubiquitin ligase Nedd4, accumulation of DNA/RNA hybrids at RP gene loci, decreased RP synthesis, and ribosome deficiency, hence synchronizing ribosome production with cell growth. Conditional deletion of Drosha in erythroid progenitors phenocopies human ribosomopathies, in which ribosomal insufficiency leads to anemia. Outlining a miRNA-independent role of the Microprocessor complex at the interphase between cell growth and ribosome biogenesis offers a new paradigm by which cells alter their protein biosynthetic capacity and cellular metabolism.