The protective efficacy of neutralizing antibodies (nAbs) elicited during natural infection with SARS-CoV-2 and by vaccination based on its spike protein has been compromised with emergence of the recent SARS-CoV-2 variants. Residues E484 and K417 in the receptor-binding site (RBS) are both mutated in lineages first described in South Africa (B.1.351) and Brazil (B.1.1.28.1). The nAbs isolated from SARS-CoV-2 patients are preferentially encoded by certain heavy-chain germline genes and the two most frequently elicited antibody families (IGHV3-53/3-66 and IGHV1-2) can each bind the RBS in two different binding modes. However, their binding and neutralization are abrogated by either the E484K or K417N mutation, whereas nAbs to the cross-reactive CR3022 and S309 sites are largely unaffected. This structural and functional analysis illustrates why mutations at E484 and K417 adversely affect major classes of nAbs to SARS-CoV-2 with consequences for next-generation COVID-19 vaccines.

Most antibodies isolated from COVID-19 patients are specific to SARS-CoV-2. COVA1-16 is a relatively rare antibody that also cross-neutralizes SARS-CoV. Here we determined a crystal structure of COVA1-16 Fab with the SARS-CoV-2 RBD, and a negative-stain EM reconstruction with the spike glycoprotein trimer, to elucidate the structural basis of its cross-reactivity. COVA1-16 binds a highly conserved epitope on the SARS-CoV-2 RBD, mainly through a long CDR H3, and competes with ACE2 binding due to steric hindrance rather than epitope overlap. COVA1-16 binds to a flexible up conformation of the RBD on the spike and relies on antibody avidity for neutralization. These findings, along with structural and functional rationale for the epitope conservation, provide a blueprint for development of more universal SARS-like coronavirus vaccines and therapies.

ABSTRACT IGHV3-53-encoded neutralizing antibodies are commonly elicited during SARS-CoV-2 infection and target the receptor-binding domain (RBD) of the spike (S) protein. Such IGHV3-53 antibodies generally have a short CDR H3 due to structural constraints in binding the RBD (mode A). However, a small subset of IGHV3-53 antibodies to the RBD contain a longer CDR H3. Crystal structures of two IGHV3-53 neutralizing antibodies here demonstrate that a longer CDR H3 can be accommodated in a different binding mode (mode B). These two classes of IGHV3-53 antibodies both target the ACE2 receptor binding site, but with very different angles of approach and molecular interactions. Overall, these findings emphasize the versatility of IGHV3-53 in this common antibody response to SARS-CoV-2, where conserved IGHV3-53 germline-encoded features can be combined with very different CDR H3 lengths and light chains for SARS-CoV-2 RBD recognition and virus neutralization.

ABSTRACT To prepare for future coronavirus (CoV) pandemics, it is desirable to generate vaccines capable of eliciting neutralizing antibody responses against multiple CoVs. Because of the phylogenetic similarity to humans, rhesus macaques are an animal model of choice for many virus-challenge and vaccine-evaluation studies, including SARS-CoV-2. Here, we show that immunization of macaques with SARS-CoV-2 spike (S) protein generates potent receptor binding domain cross- neutralizing antibody (nAb) responses to both SARS-CoV-2 and SARS-CoV-1, in contrast to human infection or vaccination where responses are typically SARS-CoV-2-specific. Furthermore, the macaque nAbs are equally effective against SARS-CoV-2 variants of concern. Structural studies show that different immunodominant sites are targeted by the two primate species. Human antibodies generally target epitopes strongly overlapping the ACE2 receptor binding site (RBS), whereas the macaque antibodies recognize a relatively conserved region proximal to the RBS that represents another potential pan-SARS-related virus site rarely targeted by human antibodies. B cell repertoire differences between the two primates appear to significantly influence the vaccine response and suggest care in the use of rhesus macaques in evaluation of vaccines to SARS-related viruses intended for human use. ONE SENTENCE SUMMARY Broadly neutralizing antibodies to an unappreciated site of conservation in the RBD in SARS- related viruses can be readily induced in rhesus macaques because of distinct properties of the naïve macaque B cell repertoire that suggest prudence in the use of the macaque model in SARS vaccine evaluation and design.

ABSTRACT The emergence of SARS-CoV-2 underscores the need for strategies to rapidly develop neutralizing monoclonal antibodies that can function as prophylactic and therapeutic agents and to help guide vaccine design. Here, we demonstrate that engineering approaches can be used to refocus an existing neutralizing antibody to a related but resistant virus. Using a rapid affinity maturation strategy, we engineered CR3022, a SARS-CoV-1 neutralizing antibody, to bind SARS-CoV-2 receptor binding domain with >1000-fold improved affinity. The engineered CR3022 neutralized SARS-CoV-2 and provided prophylactic protection from viral challenge in a small animal model of SARS-CoV-2 infection. Deep sequencing throughout the engineering process paired with crystallographic analysis of an enhanced antibody elucidated the molecular mechanisms by which engineered CR3022 can accommodate sequence differences in the epitope between SARS-CoV-1 and SARS-CoV-2. The workflow described provides a blueprint for rapid broadening of neutralization of an antibody from one virus to closely related but resistant viruses.

ABSTRACT Combinatorial antibody libraries not only effectively reduce antibody discovery to a numbers game, but enable documentation of the history of antibody responses in an individual. The SARS-CoV-2 pandemic has prompted a wider application of this technology to meet the public health challenge of pandemic threats in the modern era. Herein, we used a combinatorial human antibody library constructed 20 years before the COVID-19 pandemic to discover three highly potent antibodies that selectively bind SARS-CoV-2 spike protein and neutralize authentic SARS-CoV-2 virus. Compared to neutralizing antibodies from COVID-19 patients with generally low somatic hypermutation (SHM), these antibodies contain over 13-22 SHMs, many of which are involved in specific interactions in crystal structures with SARS-CoV-2 spike RBD. The identification of these somatically mutated antibodies in a pre-pandemic library raises intriguing questions about the origin and evolution of human immune responses to SARS-CoV-2.

Epitopes that are conserved among SARS-like coronaviruses are attractive targets for design of cross-reactive vaccines and therapeutics. CR3022 is a SARS-CoV neutralizing antibody to a highly conserved epitope on the receptor binding domain (RBD) on the spike protein that can cross-react with SARS-CoV-2, but with lower affinity. Using x-ray crystallography, mutagenesis, and binding experiments, we illustrate that of four amino acid differences in the CR3022 epitope between SARS-CoV-2 and SARS-CoV, a single mutation P384A fully determines the affinity difference. CR3022 does not neutralize SARS-CoV-2, but the increased affinity to SARS-CoV-2 P384A mutant now enables neutralization with a similar potency to SARS-CoV. We further investigated CR3022 interaction with the SARS-CoV spike protein by negative-stain EM and cryo-EM. Three CR3022 Fabs bind per trimer with the RBD observed in different up-conformations due to considerable flexibility of the RBD. In one of these conformations, quaternary interactions are made by CR3022 to the N-terminal domain (NTD) of an adjacent subunit. Overall, this study provides insights into antigenic variation and potential for cross-neutralizing epitopes on SARS-like viruses.

ABSTRACT Coronaviruses have caused several epidemics and pandemics including the ongoing coronavirus disease 2019 (COVID-19). Some prophylactic vaccines and therapeutic antibodies have already showed striking effectiveness against COVID-19. Nevertheless, concerns remain about antigenic drift in SARS-CoV-2 as well as threats from other sarbecoviruses. Cross-neutralizing antibodies to SARS-related viruses provide opportunities to address such concerns. Here, we report on crystal structures of a cross-neutralizing antibody CV38-142 in complex with the receptor binding domains from SARS-CoV-2 and SARS-CoV. Our structural findings provide mechanistic insights into how this antibody can accommodate antigenic variation in these viruses. CV38-142 synergizes with other cross-neutralizing antibodies, in particular COVA1-16, to enhance neutralization of SARS-CoV-2 and SARS-CoV. Overall, this study provides valuable information for vaccine and therapeutic design to address current and future antigenic drift in SARS-CoV-2 and to protect against zoonotic coronaviruses.

ABSTRACT Endolysosomal exonucleases PLD3 and PLD4 (phospholipases D3 and D4) are associated with autoinflammatory and autoimmune diseases. We report structures of these enzymes, and the molecular basis of their catalysis. The structures reveal an intra-chain dimer topology forming a basic active site at the interface. Like other PLD superfamily members, PLD3 and PLD4 carry HxKxxxxD/E motifs and participate in phosphodiester-bond cleavage. The enzymes digest ssDNA and ssRNA in a 5′-to-3′ manner and are blocked by 5′-phosphorylation. We captured structures in apo, intermediate, and product states and revealed a ‘link-and-release’ two-step catalysis. We also unexpectedly demonstrated phosphatase activity via a covalent 3’- phosphistidine intermediate. PLD4 contains an extra hydrophobic clamp that stabilizes substrate and could affect oligonucleotide substrate preference and product release. Biochemical and structural analysis of disease-associated mutants of PLD3/4 demonstrated reduced enzyme activity or thermostability and the possible basis for disease association. Furthermore, these findings provide insight into therapeutic design.

Influenza hemagglutinin (HA) glycoprotein is the primary surface antigen targeted by the host immune response and a focus for development of novel vaccines, broadly neutralizing antibodies (bnAbs) and therapeutics. HA enables viral entry into host cells via receptor binding and membrane fusion and is a validated target for drug discovery. However, to date, only a very few bona fide small molecules have been reported against the HA. To identity new antiviral lead candidates against the highly conserved fusion machinery in the HA stem, we synthesized a fluorescence-polarization probe based on a recently described neutralizing cyclic peptide P7 derived from the complementarity-determining region loops of human bnAbs FI6v3 and CR9114 against the HA stem. We then designed a robust binding assay compatible with high-throughput screening to identify molecules with low μM to nM affinity to influenza A group 1 HAs. Our simple, low-cost, and efficient in vitro assay was used to screen H1/Puerto Rico/8/1934 HA trimer against approximately 72,000 compounds. The crystal structure of H1/Puerto Rico/8/1934 HA in complex with our best hit compound F0045(S) confirmed that it binds to pockets in the HA stem similar to bnAbs FI6v3 and CR9114, cyclic peptide P7, and small molecule inhibitor JNJ4796. F0045 is enantioselective against a panel of group 1 HAs and F0045(S) exhibits in vitro neutralization activity against multiple H1N1 and H5N1 strains. Our assay, compound characterization, and small- molecule candidate should further stimulate the discovery and development of new compounds with unique chemical scaffolds and enhanced influenza antiviral capabilities.