The COVID-19 pandemic, caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), is a grave threat to public health and the global economy. SARS-CoV-2 is closely related to the more lethal but less transmissible coronaviruses SARS-CoV-1 and Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV). Here, we have carried out comparative viral-human protein-protein interaction and viral protein localization analyses for all three viruses. Subsequent functional genetic screening identified host factors that functionally impinge on coronavirus proliferation, including Tom70, a mitochondrial chaperone protein that interacts with both SARS-CoV-1 and SARS-CoV-2 ORF9b, an interaction we structurally characterized using cryo-electron microscopy. Combining genetically validated host factors with both COVID-19 patient genetic data and medical billing records identified molecular mechanisms and potential drug treatments that merit further molecular and clinical study.

We and others have previously shown that the SARS-CoV-2 accessory protein ORF6 is a powerful antagonist of the interferon (IFN) signaling pathway by directly interacting with Nup98-Rae1 at the nuclear pore complex (NPC) and disrupting bidirectional nucleo-cytoplasmic trafficking. In this study, we further assessed the role of ORF6 during infection using recombinant SARS-CoV-2 viruses carrying either a deletion or a well characterized M58R loss-of-function mutation in ORF6. We show that ORF6 plays a key role in the antagonism of IFN signaling and in viral pathogenesis by interfering with karyopherin(importin)-mediated nuclear import during SARS-CoV-2 infection both in vitro , and in the Syrian golden hamster model in vivo . In addition, we found that ORF6-Nup98 interaction also contributes to inhibition of cellular mRNA export during SARS-CoV-2 infection. As a result, ORF6 expression significantly remodels the host cell proteome upon infection. Importantly, we also unravel a previously unrecognized function of ORF6 in the modulation of viral protein expression, which is independent of its function at the nuclear pore. Lastly, we characterized the ORF6 D61L mutation that recently emerged in Omicron BA.2 and BA.4 and demonstrated that it is able to disrupt ORF6 protein functions at the NPC and to impair SARS-CoV-2 innate immune evasion strategies. Importantly, the now more abundant Omicron BA.5 lacks this loss-of-function polymorphism in ORF6. Altogether, our findings not only further highlight the key role of ORF6 in the antagonism of the antiviral innate immune response, but also emphasize the importance of studying the role of non-spike mutations to better understand the mechanisms governing differential pathogenicity and immune evasion strategies of SARS-CoV-2 and its evolving variants.SARS-CoV-2 ORF6 subverts bidirectional nucleo-cytoplasmic trafficking to inhibit host gene expression and contribute to viral pathogenesis.

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.