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.

Antibodies capable of neutralizing HIV-1 often target variable regions 1 and 2 (V1V2) of the HIV-1 envelope, but the mechanism of their elicitation has been unclear. Here we define the developmental pathway by which such antibodies are generated and acquire the requisite molecular characteristics for neutralization. Twelve somatically related neutralizing antibodies (CAP256-VRC26.01–12) were isolated from donor CAP256 (from the Centre for the AIDS Programme of Research in South Africa (CAPRISA)); each antibody contained the protruding tyrosine-sulphated, anionic antigen-binding loop (complementarity-determining region (CDR) H3) characteristic of this category of antibodies. Their unmutated ancestor emerged between weeks 30–38 post-infection with a 35-residue CDR H3, and neutralized the virus that superinfected this individual 15 weeks after initial infection. Improved neutralization breadth and potency occurred by week 59 with modest affinity maturation, and was preceded by extensive diversification of the virus population. HIV-1 V1V2-directed neutralizing antibodies can thus develop relatively rapidly through initial selection of B cells with a long CDR H3, and limited subsequent somatic hypermutation. These data provide important insights relevant to HIV-1 vaccine development. A longitudinal study of an individual patient developing neutralizing antibodies against HIV-1 (targeting the V1V2 region of gp120) reveals how such neutralizing antibodies develop and evolve over time, providing important insights relevant to vaccine development. A better understanding of how HIV-1-neutralizing antibodies are generated could be a useful contribution to the design of improved AIDS vaccines. John Mascola and colleagues have now elucidated the immunological pathway of an important category of HIV-1-neutralizing antibody — those that target the variable V1V2 region of the viral envelope. These antibodies are more frequently elicited than CD4-binding site antibodies in the early stages of HIV infection and feature modest affinity maturation, a process that favours mutations in antibody variable domains that enhance antigen binding.

Broadly neutralizing antibodies (bNAbs) to HIV-1 can prevent infection and are therefore of great importance for HIV-1 vaccine design. Notably, bNAbs are highly somatically mutated and generated by a fraction of HIV-1-infected individuals several years after infection. Antibodies typically accumulate mutations in the complementarity determining region (CDR) loops, which usually contact the antigen. The CDR loops are scaffolded by canonical framework regions (FWRs) that are both resistant to and less tolerant of mutations. Here, we report that in contrast to most antibodies, including those with limited HIV-1 neutralizing activity, most bNAbs require somatic mutations in their FWRs. Structural and functional analyses reveal that somatic mutations in FWR residues enhance breadth and potency by providing increased flexibility and/or direct antigen contact. Thus, in bNAbs, FWRs play an essential role beyond scaffolding the CDR loops and their unusual contribution to potency and breadth should be considered in HIV-1 vaccine design.

ABSTRACT V2/V3 conformational epitope antibodies that broadly neutralize HIV-1 (PG9 and PG16) have been recently described. Since an elicitation of previously known broadly neutralizing antibodies has proven elusive, the induction of antibodies with such specificity is an important goal for HIV-1 vaccine development. A critical question is which immunogens and vaccine formulations might be used to trigger and drive the development of memory B cell precursors with V2/V3 conformational epitope specificity. In this paper we identified a clonal lineage of four V2/V3 conformational epitope broadly neutralizing antibodies (CH01 to CH04) from an African HIV-1-infected broad neutralizer and inferred their common reverted unmutated ancestor (RUA) antibodies. While conformational epitope antibodies rarely bind recombinant Env monomers, a screen of 32 recombinant envelopes for binding to the CH01 to CH04 antibodies showed monoclonal antibody (MAb) binding to the E.A244 gp120 Env and to chronic Env AE.CM243; MAbs CH01 and CH02 also bound to transmitted/founder Env B.9021. CH01 to CH04 neutralized 38% to 49% of a panel of 91 HIV-1 tier 2 pseudoviruses, while the RUAs neutralized only 16% of HIV-1 isolates. Although the reverted unmutated ancestors showed restricted neutralizing activity, they retained the ability to bind to the E.A244 gp120 HIV-1 envelope with an affinity predicted to trigger B cell development. Thus, E.A244, B.9021, and AE.CM243 Envs are three potential immunogen candidates for studies aimed at defining strategies to induce V2/V3 conformational epitope-specific antibodies.

Molecular and structural characterization is reported for a new broad and potent monoclonal antibody against HIV that binds to an epitope bridging the gp41 and gp120 subunits — the antibody affects a step in virus entry after binding to CD4 and before engagement of CCR5. This paper describes a broadly neutralizing HIV-specific monoclonal antibody that binds with high potency to a novel HIV-1 envelope glycoprotein epitope. Molecular and structural characterization of the new antibody, named 35O22, show that it is specific for a new site of vulnerability made up of amino acids and glycans bridging the gp41 and gp120 subunits. The antibody affects a step in virus entry after binding to CD4 and before engagement of CCR5. Serologic analysis indicates that antibodies to this newly recognized site of vulnerability are commonly elicited by natural infection, raising the prospect that in may be a promising potential vaccine target. The isolation of human monoclonal antibodies is providing important insights into the specificities that underlie broad neutralization of HIV-1 (reviewed in ref. 1). Here we report a broad and extremely potent HIV-specific monoclonal antibody, termed 35O22, which binds a novel HIV-1 envelope glycoprotein (Env) epitope. 35O22 neutralized 62% of 181 pseudoviruses with a half-maximum inhibitory concentration (IC50) <50 μg ml−1. The median IC50 of neutralized viruses was 0.033 μg ml−1, among the most potent thus far described. 35O22 did not bind monomeric forms of Env tested, but did bind the trimeric BG505 SOSIP.664. Mutagenesis and a reconstruction by negative-stain electron microscopy of the Fab in complex with trimer revealed that it bound to a conserved epitope, which stretched across gp120 and gp41. The specificity of 35O22 represents a novel site of vulnerability on HIV Env, which serum analysis indicates to be commonly elicited by natural infection. Binding to this new site of vulnerability may thus be an important complement to current monoclonal-antibody-based approaches to immunotherapies, prophylaxis and vaccine design.

Antibody responses develop following SARS-CoV-2 infection, but little is known about their epitope specificities, clonality, binding affinities, epitopes, and neutralizing activity. We isolated B cells specific for the SARS-CoV-2 envelope glycoprotein spike (S) from a COVID-19-infected subject 21 days after the onset of clinical disease. 45 S-specific monoclonal antibodies were generated. They had undergone minimal somatic mutation with limited clonal expansion, and three bound the receptor-binding domain (RBD). Two antibodies neutralized SARS-CoV-2. The most potent antibody bound the RBD and prevented binding to the ACE2 receptor, while the other bound outside the RBD. Thus, most anti-S antibodies that were generated in this patient during the first weeks of COVID-19 infection were non-neutralizing and target epitopes outside the RBD. Antibodies that disrupt the SARS-CoV-2 S-ACE2 interaction can potently neutralize the virus without undergoing extensive maturation. Such antibodies have potential preventive and/or therapeutic potential and can serve as templates for vaccine design.

The HIV-1-envelope (Env) trimer is covered by a glycan shield of ∼90 N-linked oligosaccharides, which comprises roughly half its mass and is a key component of HIV evasion from humoral immunity. To understand how antibodies can overcome the barriers imposed by the glycan shield, we crystallized fully glycosylated Env trimers from clades A, B, and G, visualizing the shield at 3.4–3.7 Å resolution. These structures reveal the HIV-1-glycan shield to comprise a network of interlocking oligosaccharides, substantially ordered by glycan crowding, that encase the protein component of Env and enable HIV-1 to avoid most antibody-mediated neutralization. The revealed features delineate a taxonomy of N-linked glycan-glycan interactions. Crowded and dispersed glycans are differently ordered, conserved, processed, and recognized by antibody. The structures, along with glycan-array binding and molecular dynamics, reveal a diversity in oligosaccharide affinity and a requirement for accommodating glycans among known broadly neutralizing antibodies that target the glycan-shielded trimer.

The RV144 HIV-1 trial of the canary pox vector (ALVAC-HIV) plus the gp120 AIDSVAX B/E vaccine demonstrated an estimated efficacy of 31%, which correlated directly with antibodies to HIV-1 envelope variable regions 1 and 2 (V1-V2). Genetic analysis of trial viruses revealed increased vaccine efficacy against viruses matching the vaccine strain at V2 residue 169. Here, we isolated four V2 monoclonal antibodies from RV144 vaccinees that recognize residue 169, neutralize laboratory-adapted HIV-1, and mediate killing of field-isolate HIV-1-infected CD4+ T cells. Crystal structures of two of the V2 antibodies demonstrated that residue 169 can exist within divergent helical and loop conformations, which contrasted dramatically with the β strand conformation previously observed with a broadly neutralizing antibody PG9. Thus, RV144 vaccine-induced immune pressure appears to target a region that may be both sequence variable and structurally polymorphic. Variation may signal sites of HIV-1 envelope vulnerability, providing vaccine designers with new options.

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 viral spike of HIV-1 is composed of three gp120 envelope glycoproteins attached noncovalently to three gp41 transmembrane molecules. Viral entry is initiated by binding to the CD4 receptor on the cell surface, which induces large conformational changes in gp120. These changes not only provide a model for receptor-triggered entry, but affect spike sensitivity to drug- and antibody-mediated neutralization. Although some of the details of the CD4-induced conformational change have been visualized by crystal structures and cryoelectron tomograms, the critical gp41-interactive region of gp120 was missing from previous atomic-level characterizations. Here we determine the crystal structure of an HIV-1 gp120 core with intact gp41-interactive region in its CD4-bound state, compare this structure to unliganded and antibody-bound forms to identify structurally invariant and plastic components, and use ligand-oriented cryoelectron tomograms to define component mobility in the viral spike context. Newly defined gp120 elements proximal to the gp41 interface complete a 7-stranded β-sandwich, which appeared invariant in conformation. Loop excursions emanating from the sandwich form three topologically separate—and structurally plastic—layers, topped off by the highly glycosylated gp120 outer domain. Crystal structures, cryoelectron tomograms, and interlayer chemistry were consistent with a mechanism in which the layers act as a shape-changing spacer, facilitating movement between outer domain and gp41-associated β-sandwich and providing for conformational diversity used in immune evasion. A “layered” gp120 architecture thus allows movement among alternative glycoprotein conformations required for virus entry and immune evasion, whereas a β-sandwich clamp maintains gp120–gp41 interaction and regulates gp41 transitions.