SARS-CoV-2 variants with spike (S)-protein D614G mutations now predominate globally. We therefore compare the properties of the mutated S protein (SG614) with the original (SD614). We report here pseudoviruses carrying SG614 enter ACE2-expressing cells more efficiently than those with SD614. This increased entry correlates with less S1-domain shedding and higher S-protein incorporation into the virion. Similar results are obtained with virus-like particles produced with SARS-CoV-2 M, N, E, and S proteins. However, D614G does not alter S-protein binding to ACE2 or neutralization sensitivity of pseudoviruses. Thus, D614G may increase infectivity by assembling more functional S protein into the virion.

The severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) spike (S) protein mediates infection of cells expressing angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2). ACE2 is also the viral receptor of SARS-CoV (SARS-CoV-1), a related coronavirus that emerged in 2002-2003. Horseshoe bats (genus Rhinolophus ) are presumed to be the original reservoir of both viruses, and a SARS-like coronavirus, RaTG13, closely related SARS-CoV-2, has been isolated from one horseshoe-bat species. Here we characterize the ability of S-protein receptor-binding domains (RBDs) of SARS-CoV-1, SARS-CoV-2, and RaTG13 to bind a range of ACE2 orthologs. We observed that the SARS-CoV-2 RBD bound human, pangolin, and horseshoe bat ( R. macrotis) ACE2 more efficiently than the SARS-CoV-1 or RaTG13 RBD. Only the RaTG13 RBD bound rodent ACE2 orthologs efficiently. Five mutations drawn from ACE2 orthologs of nine Rhinolophus species enhanced human ACE2 binding to the SARS-CoV-2 RBD and neutralization of SARS-CoV-2 by an immunoadhesin form of human ACE2 (ACE2-Fc). Two of these mutations impaired neutralization of SARS-CoV-1. An ACE2-Fc variant bearing all five mutations neutralized SARS-CoV-2 five-fold more efficiently than human ACE2-Fc. These data narrow the potential SARS-CoV-2 reservoir, suggest that SARS-CoV-1 and -2 originate from distinct bat species, and identify a more potently neutralizing form of ACE2-Fc.

Abstract Effective intervention strategies are urgently needed to control the COVID-19 pandemic. Human angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) is a carboxypeptidase that forms a dimer and serves as the cellular receptor for SARS-CoV-2. It is also a key negative regulator of the renin-angiotensin system (RAS), conserved in mammals, which modulates vascular functions. We report here the properties of a trimeric ACE2 variant, created by a structure-based approach, with binding affinity of ~60 pM for the spike (S) protein of SARS-CoV-2, while preserving the wildtype peptidase activity as well as the ability to block activation of angiotensin II receptor type 1 in the RAS. Moreover, the engineered ACE2 potently inhibits infection of SARS-CoV-2 in cell culture. These results suggest that engineered, trimeric ACE2 may be a promising anti-SARS-CoV-2 agent for treating COVID-19.

The SARS-coronavirus 2 (SARS-CoV-2) spike (S) protein mediates viral entry into cells expressing the angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2). The S protein engages ACE2 through its receptor-binding domain (RBD), an independently folded 197-amino acid fragment of the 1273-amino acid S-protein protomer. The RBD is the primary SARS-CoV-2 neutralizing epitope and a critical target of any SARS-CoV-2 vaccine. Here we show that this RBD conjugated to each of two carrier proteins elicited more potent neutralizing responses in immunized rodents than did a similarly conjugated proline-stabilized S-protein ectodomain. Nonetheless, the native RBD expresses inefficiently, limiting its usefulness as a vaccine antigen. However, we show that an RBD engineered with four novel glycosylation sites (gRBD) expresses markedly more efficiently, and generates a more potent neutralizing responses as a DNA vaccine antigen, than the wild-type RBD or the full-length S protein, especially when fused to multivalent carriers such as an H. pylori ferritin 24-mer. Further, gRBD is more immunogenic than the wild-type RBD when administered as a subunit protein vaccine. Our data suggest that multivalent gRBD antigens can reduce costs and doses, and improve the immunogenicity, of all major classes of SARS-CoV-2 vaccines.

Abstract B cells have been engineered ex vivo to express an HIV-1 broadly neutralizing antibody (bNAb). B-cell reprograming may be scientifically and therapeutically useful, but current approaches limit B-cell repertoire diversity and disrupt the organization of the heavy-chain locus. A more diverse and physiologic B-cell repertoire targeting a key HIV-1 epitope could facilitate evaluation of vaccines designed to elicit bNAbs, help identity more potent and bioavailable bNAb variants, or directly enhance viral control in vivo . Here we address the challenges of generating such a repertoire by replacing the heavy-chain CDR3 (HCDR3) regions of primary human B cells. To do so, we identified and utilized an uncharacterized Cas12a ortholog that recognizes PAM motifs present in human JH genes. We also optimized the design of 200 nucleotide homology-directed repair templates (HDRT) by minimizing the required 3’-5’ deletion of the HDRT-complementary strand. Using these techniques, we edited primary human B cells to express a hemagglutinin epitope tag and the HCDR3 regions of the bNAbs PG9 and CH01. Those edited with bNAb HCDR3 efficiently bound trimeric HIV-1 antigens, implying they could affinity mature in vivo in response to the same antigens. This approach generates diverse B-cell repertoires recognizing a key HIV-1 neutralizing epitope.

CRISPR-edited murine B cells engineered to express human antibody variable chains proliferate, class switch, and secrete these antibodies in vaccinated mice. However, current strategies disrupt the heavy-chain locus, resulting in inefficient somatic hypermutation without functional affinity maturation. Here we show that recombined murine heavy- and kappa-variable genes can be directly and simultaneously overwritten, using Cas12a-mediated cuts at their 39-most J segments and 59 homology arms complementary to distal V segments. Cells edited in this way to express the HIV-1 broadly neutralizing antibodies 10-1074 or VRC26.25-y robustly hypermutated and generated potent neutralizing plasma in vaccinated recipient mice. 10-1074 variants isolated from these mice bound and neutralized HIV-1 envelope glycoprotein more efficiently than wild-type 10-1074 while maintaining or improving its already low polyreactivity and long in vivo half-life. We further validated this approach by generating substantially broader and more potent variants of the anti-SARS-CoV-2 antibodies ZCB11 and S309. Thus, B cells edited at their native loci affinity mature, facilitating development of broad, potent, and bioavailable antibodies and expanding the potential applications of engineered B cells.

The SARS-coronavirus 2 (SARS-CoV-2) spike (S) protein mediates entry of SARS-CoV-2 into cells expressing the angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2). The S protein engages ACE2 through its receptor-binding domain (RBD), an independently folded 197-amino acid fragment of the 1273-amino acid S-protein protomer. Antibodies to the RBD domain of SARS-CoV (SARS-CoV-1), a closely related coronavirus which emerged in 2002-2003, have been shown to potently neutralize SARS-CoV-1 S-protein-mediated entry, and the presence of anti-RBD antibodies correlates with neutralization in SARS-CoV-2 convalescent sera. Here we show that immunization with the SARS-CoV-2 RBD elicits a robust neutralizing antibody response in rodents, comparable to 100 μg/ml of ACE2-Ig, a potent SARS-CoV-2 entry inhibitor. Importantly, anti-sera from immunized animals did not mediate antibody-dependent enhancement (ADE) of S-protein-mediated entry under conditions in which Zika virus ADE was readily observed. These data suggest that an RBD-based vaccine for SARS-CoV-2 could be safe and effective.

SUMMARY V2-glycan/apex broadly neutralizing antibodies (bnAbs) recognize a closed quaternary epitope of the HIV-1 envelope glycoprotein (Env). This closed structure is necessary to elicit apex antibodies and useful to guide maturation of other bnAb classes. To compare antigens designed to maintain this conformation, apex-specific responses were monitored in mice engrafted with a diverse repertoire of B cells expressing the HCDR3 of the apex bnAb VRC26.25. Engineered B cells affinity matured, guiding improvement of VRC26.25 itself. We found that soluble Env (SOSIP) variants differed significantly in their ability to raise anti-apex responses. A transmembrane SOSIP (SOSIP-TM) delivered as an mRNA-lipid nanoparticle elicited more potent neutralizing responses than multimerized SOSIP proteins. Importantly, SOSIP-TM elicited neutralizing sera from B cells engineered with the predicted VRC26.25-HCDR3 progenitor, which also affinity matured. Our data show that HCDR3-edited B cells facilitate efficient in vivo comparisons of Env antigens and highlight the potential of an HCDR3-focused vaccine approach.