In late 2019, SARS-CoV-2 caused a global pandemic with severe health issues, leading to widespread morbidity and mortality. The SARS-CoV-2 Nucleocapsid (N) protein is a multifunctional protein and crucial for viral replication and pathogenesis. This study comprehensively explored the intricate functions and mechanisms of the N protein, focusing on its interactions with nucleic acids and host cell ...
Abstract (English)
In late 2019, SARS-CoV-2 caused a global pandemic with severe health issues, leading to widespread morbidity and mortality. The SARS-CoV-2 Nucleocapsid (N) protein is a multifunctional protein and crucial for viral replication and pathogenesis. This study comprehensively explored the intricate functions and mechanisms of the N protein, focusing on its interactions with nucleic acids and host cell surface components.
Through a series of biochemical and biophysical assays, distinct functional domains within the N protein responsible for its interaction with RNA, were identified. Generally, the N protein comprises two structured domains, the RNA-binding domain (RBD) and the C-terminal domain (CTD), which are flanked and interconnected by three intrinsically disordered regions (IDRs). The RBD in combination with the IDR2 were found to be essential for ssRNA binding, while the combined action of RBD, IDR2, and CTD facilitated efficient dsRNA binding. The N protein was discovered to harbor an intrinsic RNA chaperone activity. This activity is crucial for RNA packaging as well as for the efficient and accurate folding of the viral RNA genome. The experiments revealed the RBD, IDR2, and CTD to be essential for this function.
Comparative analysis between the Wuhan and Omicron BA.5 N protein variants revealed significant differences in RNA chaperone activity. The BA.5 N exhibited reduced chaperone activity, which can be restored by protein phosphorylation. Additionally, phosphorylation decreases RNA binding affinity, necessary for RNA release into the host cytoplasm to facilitate viral replication. These findings suggest distinct regulatory mechanisms between the variants and highlight the crucial role of phosphorylation in RNA packaging and release.
This study also uncovered a novel mechanism of the N protein involving extracellular liquid-liquid phase separation with heparin and heparan sulfate on the host cell surface during viral infection, suggesting another host evasion mechanism by shielding heparan sulfate, which is essential for antiviral immune response, and heparin, which is necessary for anti-coagulation during infection. Additionally, this study found that the cell surface bound N protein triggers the release of proinflammatory cytokines TNF and IL-8, potentially contributing to the cytokine storm observed in COVID-19 cases.
In conclusion, this study provided a detailed understanding of the SARS-CoV-2 N protein regarding its intrinsic functions and potential immune modulatory mechanisms. It fills key knowledge gaps in the basic mechanisms of SARS-CoV-2 infection and established a foundation for future research aimed at targeting N as a therapeutic strategy.
Translation of the abstract (German)
Ende 2019 verursachte SARS-CoV-2 eine weltweite Pandemie mit erheblichen Gesundheitsproblemen und hoher Morbidität und Mortalität. Das SARS-CoV-2 Nukleokapsid (N) Protein spielt eine entscheidende Rolle bei der viralen Replikation und Pathogenese. Diese Studie untersucht die Funktionen und Mechanismen des N Proteins, insbesondere seine Interaktionen mit Nukleinsäuren und Komponenten der ...
Translation of the abstract (German)
Ende 2019 verursachte SARS-CoV-2 eine weltweite Pandemie mit erheblichen Gesundheitsproblemen und hoher Morbidität und Mortalität. Das SARS-CoV-2 Nukleokapsid (N) Protein spielt eine entscheidende Rolle bei der viralen Replikation und Pathogenese. Diese Studie untersucht die Funktionen und Mechanismen des N Proteins, insbesondere seine Interaktionen mit Nukleinsäuren und Komponenten der Wirtszelloberfläche.
Eine Reihe biochemischer und biophysikalischer Experimente identifizierten funktionelle Domänen im N Protein, die für die RNA-Interaktion verantwortlich sind. Generell besteht das N Protein aus zwei strukturierten Domänen, der RNA-Bindungsdomäne (RBD) und der C-terminalen Domäne (CTD), die von intrinsisch ungeordneten Domänen (IDRs) flankiert und miteinander verbunden sind. Die RBD und IDR2 sind für die ssRNA Bindung entscheidend, während die RBD, IDR2 und CTD zusammen effizient dsRNA binden. Zudem besitzt das N Protein eine intrinsische RNA Chaperonaktivität, die für die RNA-Verpackung und -Faltung wesentlich ist. Die RBD, IDR2 und CTD sind für diese Funktion notwendig.
Eine vergleichende Analyse zwischen den Wuhan und Omikron BA.5 N Proteinvarianten zeigte signifikante Unterschiede in der RNA Chaperonaktivität. BA.5 N zeigte eine stark reduzierte Chaperonaktivität, die durch Proteinphosphorylierung wiederhergestellt werden konnte. Phosphorylierung verringert außerdem die RNA-Bindungsaffinität und erleichtert dadurch die RNA-Freisetzung ins Zytoplasma, was für die virale Replikation notwendig ist. Diese Ergebnisse deuten auf unterschiedliche Regulationsmechanismen zwischen den Varianten hin und betonen die Rolle der Phosphorylierung bei der RNA-Verpackung und -Freisetzung.
In der Studie wurde zudem ein neuartiger Mechanismus des N Proteins entdeckt, der eine Flüssig-Flüssig-Phasentrennung mit Heparin und Heparansulfat auf der Wirtszelloberfläche während der Infektion umfasst. Dies deutet auf eine Umgehung der Wirtsabwehr hin, indem Heparansulfat und Heparin abgeschirmt werden. Darüber hinaus löst das N Protein auf der Zelloberfläche die Freisetzung der proinflammatorischen Zytokine TNF and IL-8 aus, was zu dem in COVID-19 Fällen beobachteten Zytokinsturm beitragen könnte.
Zusammengefasst bietet diese Studie ein detailliertes Verständnis des SARS-CoV-2 N Proteins, seiner Funktionen und potenziellen immunmodulatorischen Mechanismen. Sie schließt Wissenslücken über die grundlegenden Prozesse der SARS-CoV-2 Infektion und schafft dadurch eine Grundlage für zukünftige Forschungsarbeiten, die das N Protein als therapeutische Strategie untersuchen.
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