Abstract The predominant approach for antibody generation remains animal immunization, which can yield exceptionally selective and potent antibody clones owing to the powerful evolutionary process of somatic hypermutation. However, animal immunization is inherently slow, has poor compatibility with certain antigens ( e . g ., integral membrane proteins), and suffers from self-tolerance and immunodominance, which limit the functional spectrum of antibodies that can be obtained. Here, we describe A utonomous H ypermutation y E ast surf A ce D isplay (AHEAD), a synthetic recombinant antibody generation technology that imitates somatic hypermutation inside engineered yeast. In AHEAD, antibody fragments are encoded on an error-prone orthogonal DNA replication system, resulting in Saccharomyces cerevisiae populations that continuously mutate surface-displayed antibody repertoires. Simple cycles of yeast culturing and enrichment for antigen binding drive the evolution of high-affinity antibody clones in a readily parallelizable process that takes as little as 2 weeks. We applied AHEAD to generate nanobodies against the SARS-CoV-2 S glycoprotein, a GPCR, and other targets. The SARS-CoV-2 nanobodies, concurrently evolved from an open-source naïve nanobody library in 8 independent experiments, reached subnanomolar affinities through the sequential fixation of multiple mutations over 3-8 AHEAD cycles that saw ∼580-fold and ∼925-fold improvements in binding affinities and pseudovirus neutralization potencies, respectively. These experiments highlight the defining speed, parallelizability, and effectiveness of AHEAD and provide a template for streamlined antibody generation at large with salient utility in rapid response to current and future viral outbreaks.

We identify the prolyl-tRNA synthetase (PRS) inhibitor halofuginone 1 , a compound in clinical trials for anti-fibrotic and anti-inflammatory applications 2 , as a potent inhibitor of SARS-CoV-2 infection and replication. The interaction of SARS-CoV-2 spike protein with cell surface heparan sulfate (HS) promotes viral entry 3 . We find that halofuginone reduces HS biosynthesis, thereby reducing spike protein binding, SARS-CoV-2 pseudotyped virus, and authentic SARS-CoV-2 infection. Halofuginone also potently suppresses SARS-CoV-2 replication post-entry and is 1,000-fold more potent than Remdesivir 4 . Inhibition of HS biosynthesis and SARS-CoV-2 infection depends on specific inhibition of PRS, possibly due to translational suppression of proline-rich proteins. We find that pp1a and pp1ab polyproteins of SARS-CoV-2, as well as several HS proteoglycans, are proline-rich, which may make them particularly vulnerable to halofuginone's translational suppression. Halofuginone is orally bioavailable, has been evaluated in a phase I clinical trial in humans and distributes to SARS-CoV-2 target organs, including the lung, making it a near-term clinical trial candidate for the treatment of COVID-19.

Global deployment of vaccines that can provide protection across several age groups is still urgently needed to end the COVID-19 pandemic especially for low- and middle-income countries. While vaccines against SARS-CoV-2 based on mRNA and adenoviral-vector technologies have been rapidly developed, additional practical and scalable SARS-CoV-2 vaccines are needed to meet global demand. In this context, protein subunit vaccines formulated with appropriate adjuvants represent a promising approach to address this urgent need. Receptor-binding domain (RBD) is a key target of neutralizing antibodies (Abs) but is poorly immunogenic. We therefore compared pattern recognition receptor (PRR) agonists, including those activating STING, TLR3, TLR4 and TLR9, alone or formulated with aluminum hydroxide (AH), and benchmarked them to AS01B and AS03-like emulsion-based adjuvants for their potential to enhance RBD immunogenicity in young and aged mice. We found that the AH and CpG adjuvant formulation (AH:CpG) demonstrated the highest enhancement of anti-RBD neutralizing Ab titers in both age groups (∼80-fold over AH), and protected aged mice from the SARS-CoV-2 challenge. Notably, AH:CpG-adjuvanted RBD vaccine elicited neutralizing Abs against both wild-type SARS-CoV-2 and B.1.351 variant at serum concentrations comparable to those induced by the authorized mRNA BNT162b2 vaccine. AH:CpG induced similar cytokine and chemokine gene enrichment patterns in the draining lymph nodes of both young adult and aged mice and synergistically enhanced cytokine and chemokine production in human young adult and elderly mononuclear cells. These data support further development of AH:CpG-adjuvanted RBD as an affordable vaccine that may be effective across multiple age groups.Alum and CpG enhance SARS-CoV-2 RBD protective immunity, variant neutralization in aged mice and Th1-polarizing cytokine production by human elder leukocytes.

SUMMARY Development of affordable and effective vaccines that can also protect vulnerable populations such as the elderly from COVID-19-related morbidity and mortality is a public health priority. Here we took a systematic and iterative approach by testing several SARS-CoV-2 protein antigens and adjuvants to identify a combination that elicits neutralizing antibodies and protection in young and aged mice. In particular, SARS-CoV-2 receptorbinding domain (RBD) displayed as a protein nanoparticle (RBD-NP) was a highly effective antigen, and when formulated with an oil-in-water emulsion containing Carbohydrate fatty acid MonoSulphate derivative (CMS) induced the highest levels of cross-neutralizing antibodies compared to other oil-in-water emulsions or AS01B. Mechanistically, CMS induced antigen retention in the draining lymph node (dLN) and expression of cytokines, chemokines and type I interferon-stimulated genes at both injection site and dLN. Overall, CMS:RBD-NP is effective across multiple age groups and is an exemplar of a SARS-CoV-2 subunit vaccine tailored to the elderly.

Abstract As the COVID-19 pandemic continues to spread, investigating the processes underlying the interactions between SARS-CoV-2 and its hosts is of high importance. Here, we report the identification of CD209L/L-SIGN and the related protein CD209/DC-SIGN as receptors capable of mediating SARS-CoV-2 entry into human cells. Immunofluorescence staining of human tissues revealed prominent expression of CD209L in the lung and kidney epithelium and endothelium. Multiple biochemical assays using a purified recombinant SARS-CoV-2 spike receptor binding domain (S-RBD) or S1 encompassing both NTB and RBD and ectopically expressed CD209L and CD209 revealed that CD209L and CD209 interact with S-RBD. CD209L contains two N- glycosylation sequons, at sites N92 and N361, but we determined that only site N92 is occupied. Removal of the N -glycosylation at this site enhances the binding of S-RBD with CD209L. CD209L also interacts with ACE2, suggesting a role for heterodimerization of CD209L and ACE2 in SARS-CoV-2 entry and infection in cell types where both are present. Furthermore, we demonstrate that human endothelial cells are permissive to SARS-CoV-2 infection and interference with CD209L activity by knockdown strategy or with soluble CD209L inhibits virus entry. Our observations demonstrate that CD209L and CD209 serve as alternative receptors for SARS-CoV-2 in disease-relevant cell types, including the vascular system. This property is particularly important in tissues where ACE2 has low expression or is absent, and may have implications for antiviral drug development.

SUMMARY Immunogens that elicit broadly neutralizing antibodies targeting the conserved receptor-binding site (RBS) on influenza hemagglutinin (HA) may serve as a universal influenza vaccine candidate. Here, we developed a computational model to interrogate antibody evolution by affinity maturation after immunization with two types of immunogens: a chimeric heterotrimeric ‘HAtCh’ antigen that is enriched for the RBS epitope relative to other B cell epitopes, and a cocktail composed of three non-epitope-enriched homotrimeric antigens that comprise the HAtCh. Experiments in mice (Caradonna et al.) find that the chimeric antigen outperforms the cocktail for eliciting RBS-directed antibodies. We show that this result follows from an interplay between how B cells engage these antigens and interact with diverse T helper cells, and requires T cell-mediated selection of germinal center B cells to be a stringent constraint. Our results shed new light on antibody evolution, and highlight how immunogen design and T cells modulate vaccination outcomes.

SARS-CoV-2 neutralizing antibodies (NAbs) protect against COVID-19. A concern regarding SARS-CoV-2 antibodies is whether they mediate disease enhancement. Here, we isolated NAbs against the receptor-binding domain (RBD) and the N-terminal domain (NTD) of SARS-CoV-2 spike from individuals with acute or convalescent SARS-CoV-2 or a history of SARS-CoV-1 infection. Cryo-electron microscopy of RBD and NTD antibodies demonstrated function-specific modes of binding. Select RBD NAbs also demonstrated Fc receptor-γ (FcγR)-mediated enhancement of virus infection in vitro , while five non-neutralizing NTD antibodies mediated FcγR-independent in vitro infection enhancement. However, both types of infection-enhancing antibodies protected from SARS-CoV-2 replication in monkeys and mice. Nonetheless, three of 31 monkeys infused with enhancing antibodies had higher lung inflammation scores compared to controls. One monkey had alveolar edema and elevated bronchoalveolar lavage inflammatory cytokines. Thus, while in vitro antibody-enhanced infection does not necessarily herald enhanced infection in vivo , increased lung inflammation can occur in SARS-CoV-2 antibody-infused macaques.

Abstract We show that SARS-CoV-2 spike protein interacts with cell surface heparan sulfate and angiotensin converting enzyme 2 (ACE2) through its Receptor Binding Domain. Docking studies suggest a putative heparin/heparan sulfate-binding site adjacent to the domain that binds to ACE2. In vitro, binding of ACE2 and heparin to spike protein ectodomains occurs independently and a ternary complex can be generated using heparin as a template. Contrary to studies with purified components, spike protein binding to heparan sulfate and ACE2 on cells occurs codependently. Unfractionated heparin, non-anticoagulant heparin, treatment with heparin lyases, and purified lung heparan sulfate potently block spike protein binding and infection by spike protein-pseudotyped virus and SARS-CoV-2 virus. These findings support a model for SARS-CoV-2 infection in which viral attachment and infection involves formation of a complex between heparan sulfate and ACE2. Manipulation of heparan sulfate or inhibition of viral adhesion by exogenous heparin may represent new therapeutic opportunities.

Abstract Effective countermeasures are needed against emerging coronaviruses of pandemic potential, similar to severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2). Designing immunogens that elicit broadly neutralizing antibodies to conserved viral epitopes on the major surface glycoprotein, spike, such as the receptor binding domain (RBD) is one potential approach. Here, we report the generation of homotrimeric RBD immunogens from different sarbecoviruses using a stabilized, immune-silent trimerization tag. In mice, we find that a cocktail of these homotrimeric sarbecovirus RBDs elicits antibodies to conserved viral epitopes outside of the ACE2 receptor binding motif (RBM). Importantly, these responses neutralize all sarbecovirus components even in context of prior SARS-CoV-2 imprinting. We further show that a substantial fraction of the neutralizing antibodies elicited after vaccination in humans also engages non-RBM epitopes on the RBD. Collectively, our results suggest a strategy for eliciting broadly neutralizing responses leading to a pan-sarbecovirus vaccine. Author summary Immunity to SARS-CoV-2 in the human population will be widespread due to natural infection and vaccination. However, another novel coronavirus will likely emerge in the future and may cause a subsequent pandemic. Humoral responses induced by SARS-CoV-2 infection and vaccination provide limited protection against even closely related coronaviruses. We show immunization with a cocktail of trimeric coronavirus receptor binding domains induces a neutralizing antibody response that is broadened to related coronaviruses with pandemic potential. Importantly, this broadening occurs in context of an initial imprinted SARS-CoV-2 spike immunization showing that preexisting immunity can be expanded to recognize other related coronaviruses. Our immunogens focused the serum antibody response to conserved epitopes on the receptor binding domain outside of the ACE2 receptor binding motif; this contrasts with current SARS-CoV-2 therapeutic antibodies, which predominantly target the receptor binding motif.