The SARS-CoV-2 spike (S) protein variant D614G supplanted the ancestral virus worldwide, reaching near fixation in a matter of months. Here we show that D614G was more infectious than the ancestral form on human lung cells, colon cells, and on cells rendered permissive by ectopic expression of human ACE2 or of ACE2 orthologs from various mammals, including Chinese rufous horseshoe bat and Malayan pangolin. D614G did not alter S protein synthesis, processing, or incorporation into SARS-CoV-2 particles, but D614G affinity for ACE2 was reduced due to a faster dissociation rate. Assessment of the S protein trimer by cryo-electron microscopy showed that D614G disrupts an interprotomer contact and that the conformation is shifted toward an ACE2 binding-competent state, which is modeled to be on pathway for virion membrane fusion with target cells. Consistent with this more open conformation, neutralization potency of antibodies targeting the S protein receptor-binding domain was not attenuated.

The human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) envelope (Env) spike, comprising three gp120 and three gp41 subunits, is a conformational machine that facilitates HIV-1 entry by rearranging from a mature unliganded state, through receptor-bound intermediates, to a post-fusion state. As the sole viral antigen on the HIV-1 virion surface, Env is both the target of neutralizing antibodies and a focus of vaccine efforts. Here we report the structure at 3.5 Å resolution for an HIV-1 Env trimer captured in a mature closed state by antibodies PGT122 and 35O22. This structure reveals the pre-fusion conformation of gp41, indicates rearrangements needed for fusion activation, and defines parameters of immune evasion and immune recognition. Pre-fusion gp41 encircles amino- and carboxy-terminal strands of gp120 with four helices that form a membrane-proximal collar, fastened by insertion of a fusion peptide-proximal methionine into a gp41-tryptophan clasp. Spike rearrangements required for entry involve opening the clasp and expelling the termini. N-linked glycosylation and sequence-variable regions cover the pre-fusion closed spike; we used chronic cohorts to map the prevalence and location of effective HIV-1-neutralizing responses, which were distinguished by their recognition of N-linked glycan and tolerance for epitope-sequence variation.

HIV's shape-shifting envelope protein HIV's envelope protein (Env) coats virus particles and allows HIV to enter host cells. HIV entry is highly dynamic. Env proteins work in groups of three (called trimers), which bind to the viral receptor and co-receptor, both expressed by host cells. Viral receptor binding causes a structural rearrangement in the trimer that allows for co-receptor binding and finally, viral entry. To visualize dynamic changes in Env conformation during viral entry, Munro et al. added differently colored fluorescent tags to two different regions of individual HIV trimers. Single-molecule fluorescence resonance entry transfer revealed three distinct Env conformations before cell entry. Occupation of particular conformations depended on host receptor binding. Science , this issue p. 759

The structure of the ligand-free HIV-1–Env trimer allows conformational fixation of Env and generation of an antigen that binds CD4 with high affinity and is recognized by broadly neutralizing antibodies but not poorly neutralizing ones. As the sole viral antigen on the HIV-1–virion surface, trimeric Env is a focus of vaccine efforts. Here we present the structure of the ligand-free HIV-1–Env trimer, fix its conformation and determine its receptor interactions. Epitope analyses revealed trimeric ligand-free Env to be structurally compatible with broadly neutralizing antibodies but not poorly neutralizing ones. We coupled these compatibility considerations with binding antigenicity to engineer conformationally fixed Envs, including a 201C 433C (DS) variant specifically recognized by broadly neutralizing antibodies. DS-Env retained nanomolar affinity for the CD4 receptor, with which it formed an asymmetric intermediate: a closed trimer bound by a single CD4 without the typical antigenic hallmarks of CD4 induction. Antigenicity-guided structural design can thus be used both to delineate mechanism and to fix conformation, with DS-Env trimers in virus-like-particle and soluble formats providing a new generation of vaccine antigens.

The majority of naturally-elicited antibodies against the HIV-1 envelope glycoproteins (Env) are non-neutralizing (nnAbs), because they are unable to recognize the Env timer in its native "closed" conformation. Nevertheless, it has been shown that nnAbs have the potential to eliminate HIV-1-infected cells by Antibody-Dependent Cellular Cytotoxicity (ADCC) provided that Env is present on the cell surface in its "open" conformation. This is because most nnAbs recognize epitopes that become accessible only after Env interaction with CD4 and the exposure of epitopes that are normally occluded in the closed trimer. HIV-1 limits this vulnerability by downregulating CD4 from the surface of infected cells, thus preventing a premature encounter of Env with CD4. Small CD4-mimetics (CD4mc) sensitize HIV-1-infected cells to ADCC by opening the Env glycoprotein and exposing CD4-induced (CD4i) epitopes. There are two families of CD4i nnAbs, termed anti-cluster A and anti-CoRBS Abs, which are known to mediate ADCC in the presence of CD4mc. Here, we performed Fab competition experiments and found that anti-gp41 cluster I antibodies comprise a major fraction of the plasma ADCC activity in people living with HIV (PLWH). Moreover, addition of gp41 cluster I antibodies to cluster A and CoRBS antibodies greatly enhanced ADCC mediated cell killing in the presence of a potent indoline CD4mc, CJF-III-288. This cocktail outperformed broadly-neutralizing antibodies and even showed activity against HIV-1 infected monocyte-derived macrophages. Thus, combining CD4i antibodies with different specificities achieves maximal ADCC activity, which may be of utility in HIV cure strategies.

Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infects cells through binding to angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2). This interaction is mediated by the receptor-binding domain (RBD) of the viral spike (S) glycoprotein. Structural and dynamic data have shown that S can adopt multiple conformations, which controls the exposure of the ACE2-binding site in the RBD. Here, using single-molecule Förster resonance energy transfer (smFRET) imaging we report the effects of ACE2 and antibody binding on the conformational dynamics of S from the Wuhan-1 strain and the B.1 variant (D614G). We find that D614G modulates the energetics of the RBD position in a manner similar to ACE2 binding. We also find that antibodies that target diverse epitopes, including those distal to the RBD, stabilize the RBD in a position competent for ACE2 binding. Parallel solution-based binding experiments using fluorescence correlation spectroscopy (FCS) indicate antibody-mediated enhancement of ACE2 binding. These findings inform on novel strategies for therapeutic antibody cocktails.

Conformational dynamics of the severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) spike glycoprotein (S) mediate exposure of the binding site for the cellular receptor, angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2). The N-terminal domain (NTD) of S binds terminal sialic acid (SA) moieties on the cell surface, but the functional role of this interaction in virus entry is unknown. Here, we report that NTD-SA interaction enhances both S-mediated virus attachment and ACE2 binding. Through single-molecule Förster resonance energy transfer imaging of individual S trimers, we demonstrate that SA binding to the NTD allosterically shifts the S conformational equilibrium, favoring enhanced exposure of the ACE2-binding site. Antibodies that target the NTD block SA binding, which contributes to their mechanism of neutralization. These findings inform on mechanisms of S activation at the cell surface.

The HIV-1 envelope glycoprotein (Env) is expressed at the surface of infected cells and as such can be targeted by non-neutralizing antibodies (nnAbs) that mediate antibody-dependent cellular cytotoxicity (ADCC). Previous single-molecule Forster resonance energy transfer (smFRET) studies demonstrated that Env from clinical isolates predominantly adopt a 'closed' conformation (State 1), which is resistant to nnAbs. After interacting with the cellular receptor CD4, the conformational equilibrium of Env shifts toward States 2 and 3, exposing the coreceptor binding site (CoRBS) and permitting binding of antibodies targeting this site. We showed that the binding of anti-CoRBS Abs enables the engagement of other nnAbs that target the cluster A epitopes on Env. Anti-cluster A nnAbs stabilize an asymmetric Env conformation, State 2A, and have potent ADCC activity. CRF01_AE strains were suggested to be intrinsically susceptible to ADCC mediated by nnAbs. This may be due to the presence of a histidine at position 375, known to shift Env towards more 'open' conformations. In this work, through adaptation of an established smFRET imaging approach, we report that the conformational dynamics of native, unliganded HIV-1CRF01_AE Env indicates frequent sampling of the State 2A conformation. This is in striking contrast with Envs from clades A and B, for example HIV-1JR-FL, which do not transition to State 2A in the absence of ligands. These findings inform on the conformational dynamics of HIV-1CRF01_AE Env, which are relevant for structure-based design of both synthetic inhibitors of receptor binding, and enhancers of ADCC as therapeutic alternatives.

Interaction between the Ebola virus envelope glycoprotein (GP) and the endosomal membrane is an essential step during virus entry into the cell. Acidic pH and Ca2+ have been implicated in mediating the GP-membrane interaction. However, the molecular mechanism by which these environmental factors regulate the conformational changes that enable engagement of GP with the target membrane is unknown. Here, we apply fluorescence correlation spectroscopy (FCS) and single-molecule Forster resonance energy transfer (smFRET) imaging to elucidate how the acidic pH, Ca2+ and anionic phospholipids in the late endosome promote GP-membrane interaction, thereby facilitating virus entry. We find that bis(monoacylglycero)phosphate (BMP), which is specific to the late endosome, is especially critical in determining the Ca2+-dependence of the GP-membrane interaction. Molecular dynamics (MD) simulations suggested residues in GP that sense pH and induce conformational changes that make the fusion loop available for insertion into the membrane. We similarly confirm residues in the fusion loop that mediate GPs interaction with Ca2+, which likely promotes local conformational changes in the fusion loop and mediates electrostatic interactions with the anionic phospholipids. Collectively, our results provide a mechanistic understanding of how the environment of the late endosome regulates the timing and efficiency of virus entry.

SUMMARY The SARS-CoV-2 spike (S) protein variant D614G supplanted the ancestral virus worldwide in a matter of months. Here we show that D614G was more infectious than the ancestral form on human lung cells, colon cells, and cells rendered permissive by ectopic expression of various mammalian ACE2 orthologs. Nonetheless, D614G affinity for ACE2 was reduced due to a faster dissociation rate. Assessment of the S protein trimer by cryo-electron microscopy showed that D614G disrupts a critical interprotomer contact and that this dramatically shifts the S protein trimer conformation toward an ACE2-binding and fusion-competent state. Consistent with the more open conformation, neutralization potency of antibodies targeting the S protein receptor-binding domain was not attenuated. These results indicate that D614G adopts conformations that make virion membrane fusion with the target cell membrane more probable but that D614G retains susceptibility to therapies that disrupt interaction of the SARS-CoV-2 S protein with the ACE2 receptor.