Abstract The SARS-CoV-2 protein Nsp2 has been implicated in a wide range of viral processes, but its exact functions, and the structural basis of those functions, remain unknown. Here, we report an atomic model for full-length Nsp2 obtained by combining cryo-electron microscopy with deep learning-based structure prediction from AlphaFold2. The resulting structure reveals a highly-conserved zinc ion-binding site, suggesting a role for Nsp2 in RNA binding. Mapping emerging mutations from variants of SARS-CoV-2 on the resulting structure shows potential host-Nsp2 interaction regions. Using structural analysis together with affinity tagged purification mass spectrometry experiments, we identify Nsp2 mutants that are unable to interact with the actin-nucleation-promoting WASH protein complex or with GIGYF2, an inhibitor of translation initiation and modulator of ribosome-associated quality control. Our work suggests a potential role of Nsp2 in linking viral transcription within the viral replication-transcription complexes (RTC) to the translation initiation of the viral message. Collectively, the structure reported here, combined with mutant interaction mapping, provides a foundation for functional studies of this evolutionary conserved coronavirus protein and may assist future drug design.

ABSTRACT A series of SARS-CoV-2 variants of concern (VOCs) have evolved in humans during the COVID-19 pandemic—Alpha, Beta, Gamma, Delta, and Omicron. Here, we used global proteomic and genomic analyses during infection to understand the molecular responses driving VOC evolution. We discovered VOC-specific differences in viral RNA and protein expression levels, including for N, Orf6, and Orf9b, and pinpointed several viral mutations responsible. An analysis of the host response to VOC infection and comprehensive interrogation of altered virus-host protein-protein interactions revealed conserved and divergent regulation of biological pathways. For example, regulation of host translation was highly conserved, consistent with suppression of VOC replication in mice using the translation inhibitor plitidepsin. Conversely, modulation of the host inflammatory response was most divergent, where we found Alpha and Beta, but not Omicron BA.1, antagonized interferon stimulated genes (ISGs), a phenotype that correlated with differing levels of Orf6. Additionally, Delta more strongly upregulated proinflammatory genes compared to other VOCs. Systematic comparison of Omicron subvariants revealed BA.5 to have evolved enhanced ISG and proinflammatory gene suppression that similarly correlated with Orf6 expression, effects not seen in BA.4 due to a mutation that disrupts the Orf6-nuclear pore interaction. Our findings describe how VOCs have evolved to fine-tune viral protein expression and protein-protein interactions to evade both innate and adaptive immune responses, offering a likely explanation for increased transmission in humans. One sentence summary Systematic proteomic and genomic analyses of SARS-CoV-2 variants of concern reveal how variant-specific mutations alter viral gene expression, virus-host protein complexes, and the host response to infection with applications to therapy and future pandemic preparedness.

Abstract Emergence of SARS-CoV-2 variants, including the globally successful B.1.1.7 lineage, suggests viral adaptations to host selective pressures resulting in more efficient transmission. Although much effort has focused on Spike adaptation for viral entry and adaptive immune escape, B.1.1.7 mutations outside Spike likely contribute to enhance transmission. Here we used unbiased abundance proteomics, phosphoproteomics, mRNA sequencing and viral replication assays to show that B.1.1.7 isolates more effectively suppress host innate immune responses in airway epithelial cells. We found that B.1.1.7 isolates have dramatically increased subgenomic RNA and protein levels of Orf9b and Orf6, both known innate immune antagonists. Expression of Orf9b alone suppressed the innate immune response through interaction with TOM70, a mitochondrial protein required for RNA sensing adaptor MAVS activation, and Orf9b binding and activity was regulated via phosphorylation. We conclude that B.1.1.7 has evolved beyond the Spike coding region to more effectively antagonise host innate immune responses through upregulation of specific subgenomic RNA synthesis and increased protein expression of key innate immune antagonists. We propose that more effective innate immune antagonism increases the likelihood of successful B.1.1.7 transmission, and may increase in vivo replication and duration of infection.

Abstract Host-pathogen interactions (HPIs) are pivotal in regulating establishment, progression, and outcome of an infection. Affinity-purification mass spectrometry has become instrumental for the characterization of HPIs, however the targeted nature of exogenously expressing individual viral proteins has limited its utility to the analysis of relatively small pathogens. Here we present the use of co-fractionation mass spectrometry (SEC-MS) for the high-throughput analysis of HPIs from native viral infections of two jumbophages ( ϕ KZ and ϕ PA3) in Pseudomonas aeruginosa . This enabled the detection > 6000 unique host-pathogen and > 200 pathogen-pathogen interactions for each phage, encompassing > 50% of the phage proteome. Interactome-wide comparison across phages showed similar perturbed protein interactions suggesting fundamentally conserved mechanisms of phage predation within the KZ-like phage family. Prediction of novel ORFs revealed a ϕ PA3 complex showing strong structural and sequence similarity to ϕ KZ nvRNAp, suggesting ϕ PA3 also possesses two RNA polymerases acting at different stages of the infection cycle. We further expanded our understanding on the molecular organization of the virion packaged and injected proteome by identifying 23 novel virion components and 5 novel injected proteins, as well as providing the first evidence for interactions between KZ-like phage proteins and the host ribosome. To enable accessibility to this data, we developed PhageMAP, an online resource for network query, visualization, and interaction prediction ( https://phagemap.ucsf.edu/ ). We anticipate this study will lay the foundation for the application of co-fractionation mass spectrometry for the scalable profiling of hostpathogen interactomes and protein complex dynamics upon infection.

Abstract Despite sequence similarity to SARS-CoV-1, SARS-CoV-2 has demonstrated greater widespread virulence and unique challenges to researchers aiming to study its pathogenicity in humans. The interaction of the viral receptor binding domain (RBD) with its main host cell receptor, angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2), has emerged as a critical focal point for the development of anti-viral therapeutics and vaccines. Utilizing our recently developed NanoBiT technology-based biosensor, we selectively identify and characterize the impact of mutating certain amino acid residues in the RBD of SARS-CoV-2 and in ACE2. Specifically, we examine the mutational effects on RBD-ACE2 binding ability, before and after the addition of competitive inhibitors, as well as neutralizing antibody activity. These critical determinants of virus-host interactions may provide more effective targets for ongoing vaccines, drug development, and potentially pave the way for determining the genetic variation underlying disease severity.