Studies of protein factors that regulate the coronavirus RNAs = 코로나바이러스의 RNA를 조절하는 단백질 인자들에 관한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Coronaviruses rely on host cellular machinery to support viral RNA synthesis and evade antiviral defenses. Upon entry into human cells, these viruses extensively hijack host proteins—including those involved in membrane remodeling, RNA metabolism, translation control, and innate immune signaling—to establish a permissive environment for replication. Despite the central importance of this host protein hijacking, the early molecular events that occur immediately after infection and the specific host factors subverted during this phase remain incompletely understood. In my thesis, I address these gaps through two complementary studies that dissect the molecular interactions and host dependencies shaping SARS-CoV-2 replication, with particular emphasis on early infection events and replication organelle (RO) biology.
In the first study, I identified a critical role for the coronavirus nonstructural protein Nsp2, the least conserved component of the viral replicase complex. Deletion of the Nsp2-coding region resulted in a marked reduction in viral RNA synthesis during the earliest hours post-infection. Through interactome analysis, I found that GIGYF2, a host translational regulatory protein, serves as a key interaction partner of Nsp2. My findings demonstrate that Nsp2 facilitates the relocalization of GIGYF2 and its cofactor ZNF598 around ROs, the major sites of viral replication, thereby enhancing the production of viral proteins such as M and Orf6.
In the second study, I developed an antibody-based proximity labeling strategy to systematically profile the proteome at coronavirus ROs. Applying this approach to SARS-CoV-2 and HCoV-OC43, I uncovered both conserved and virus-specific host dependencies, including the dynamic recruitment of ER, mitochondrial, and RNA-processing factors, as well as the temporal recruitment of stress granule components around ROs in SARS-CoV-2. Functional evaluation of RNA-binding proteins further revealed STAU1 as an G3BP dependent early pro-viral host factor in SARS-CoV-2 infection.
Together, these findings establish a detailed framework for understanding coronavirus RNA regulation, identify essential early-acting host factors, and reveal viral strategies that fine-tune the host environment to support efficient infection.

국문 초록 (Abstract)

코로나바이러스는 숙주 세포의 기구를 광범위하게 탈취하여 바이러스 RNA 합성을 촉진하고 항바이러스 방어를 회피한다. 인체 세포에 침입한 후, 이들 바이러스는 막 재구성, RNA 대사, 번역 조절, 선천면역 신호전달 등 다양한 세포 과정에 관여하는 숙주 단백질을 적극적으로 이용하여 바이러스 복제가 가능한 환경을 구축한다. 이러한 숙주 단백질 탈취는 감염 과정에서 핵심적이지만, 감염 직후 일어나는 초기 분자 단위에서의 사건들과 이 단계에서 조절되는 특정 숙주 단백질들에 대해서는 여전히 명확히 규명되지 않았다. 본 논문에서는 초기 감염 단계 및 복제소체(replication organelle, RO) 생물학에 초점을 맞춰, SARS-CoV-2 RNA를 조절하는 분자적 상호작용과 숙주 의존성을 규명하기 위해 두 가지 상보적 연구를 수행하였다.
첫 번째 연구에서는 코로나바이러스 복제효소 복합체의 구성 요소 중 가장 보존성이 낮은 비구조단백질 Nsp2의 결정적 기능을 규명하였다. Nsp2 코딩 영역을 결실시킨 결과, 감염 초기 수 시간 동안 바이러스 RNA 합성이 현저히 감소하였다. 상호작용체 분석을 통해 Nsp2의 주요 결합 파트너로 숙주 번역 조절 단백질인 GIGYF2를 확인하였으며, Nsp2가 GIGYF2와 그 보조인자인 ZNF598을 바이러스 주 복제 장소인 복제소체 주변으로 재배치시킴으로써 M 및 Orf6과 같은 바이러스 단백질의 생산을 촉진함을 규명하였다.
두 번째 연구에서는 항체 기반 근접 표지 전략을 개발하여 코로나바이러스 복제소체 프로테옴을 체계적으로 분석하였다. SARS-CoV-2 및 HCoV-OC43에 이 접근법을 적용한 결과, 소포체·미토콘드리아·RNA 처리 인자 등 코로나바이러스에서 공통적으로 사용되는 숙주 의존적 인자들을 찾았을 뿐만 아니라 SARS-CoV-2 감염에서 특이적인 복제소체 주변으로의 스트레스 과립 구성요소의 한시적 이용현상도 확인되었다. 또한 RNA 결합 단백질의 기능적 분석을 통해 STAU1이 G3BP 의존적인 SARS-CoV-2 감염 초기 바이러스의 복제를 돕는 숙주 인자임을 밝혀냈다.
종합적으로, 본 연구는 코로나바이러스 RNA 조절 기전에 대한 정교한 이해를 제공하고, 초기 단계에서 필수적인 숙주 요인들을 규명하며, 효율적인 감염을 위해 숙주 환경을 미세하게 조정하는 바이러스 전략을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Contents iv
• List of Figures vi
• List of Tables xii
• List of Abbreviations xiii
• 1 Introduction 1
• 1.1 Structure of coronavirus 1
• 1.2 Coronavirus life cycle 3
• 2 SARS-CoV-2 Nsp2 recruits GIGYF2 near viral replication sites and supports viral protein production
• 2.1 Background 6
• 2.2 Critical role of Nsp2 in the early phase of SARS-CoV-2 life cycle 7
• 2.3 GIGYF2 is a functionally relevant partner of SARS-CoV-2 Nsp2 12
• 2.4 SARS-CoV-2 Nsp2 recruits GIGYF2 to the vicinity of viral replication organelle 21
• 2.5 GIGYF2 interacts with viral RNA and ensures viral protein expression 28
• 2.6 Discussion 39
• 2.7 Materials and Methods 42
• 3 Spatio-temporal proteomic profiling of SARS-CoV-2 replication organelles
• 3.1 Background 60
• 3.2 Identification of the proximity proteome of the SARS-CoV-2 replication organelles 62
• 3.3 Functional clustering of the SARS-CoV-2 RO proximity proteome highlights RNA-binding and membrane-associated host factors 69
• 3.4 Comparison of the SARS-CoV-2 and HCoV-OC43 RO proximity proteomes 75
• 3.5 Temporal remodeling of host protein recruitment during SARS-CoV-2 replication 85
• 3.6 STAU1 promotes early viral RNA replication 93
• 3.7 Discussion 107
• 3.8 Materials and Methods 112
• 4 Conclusion 127
• Bibliography 130
• 국문초록 149