New SARS-CoV-2 variants that have accumulated multiple mutations in the spike (S) glycoprotein enable increased transmission and resistance to neutralizing antibodies. Here, we study the antigenic and structural impacts of the S protein mutations from four variants, one that was involved in transmission between minks and humans, and three that rapidly spread in human populations and originated in the United Kingdom, Brazil or South Africa. All variants either retained or improved binding to the ACE2 receptor. The B.1.1.7 (UK) and B.1.1.28 (Brazil) spike variants showed reduced binding to neutralizing NTD and RBD antibodies, respectively, while the B.1.351 (SA) variant showed reduced binding to both NTD- and RBD-directed antibodies. Cryo-EM structural analyses revealed allosteric effects of the mutations on spike conformations and revealed mechanistic differences that either drive inter-species transmission or promotes viral escape from dominant neutralizing epitopes.Cryo-EM structures reveal changes in SARS-CoV-2 S protein during inter-species transmission or immune evasion.Adaptation to mink resulted in increased ACE2 binding and spike destabilization.B.1.1.7 S mutations reveal an intricate balance of stabilizing and destabilizing effects that impact receptor and antibody binding.E484K mutation in B.1.351 and B.1.1.28 S proteins drives immune evasion by altering RBD conformation.S protein uses different mechanisms to converge upon similar solutions for altering RBD up/down positioning.

The glycan shield of the beta-coronavirus (β-CoV) Spike (S) glycoprotein provides protection from host immune responses, acting as a steric block to potentially neutralizing antibody responses. The conformationally dynamic S-protein is the primary immunogenic target of vaccine design owing to its role in host-cell fusion, displaying multiple receptor binding domain (RBD) 'up' and 'down' state configurations. Here, we investigated the potential for RBD adjacent, N-terminal domain (NTD) glycans to influence the conformational equilibrium of these RBD states. Using a combination of antigenic screens and high-resolution cryo-EM structure determination, we show that an N-glycan deletion at position 234 results in a dramatically reduced population of the 'up' state RBD position. Conversely, glycan deletion at position N165 results in a discernable increase in 'up' state RBDs. This indicates the glycan shield acts not only as a passive hinderance to antibody meditated immunity but also as a conformational control element. Together, our results demonstrate this highly dynamic conformational machine is responsive to glycan modification with implications in viral escape and vaccine design.

Abstract The SARS-CoV-2 spike (S) protein is the target of vaccine design efforts to end the COVID-19 pandemic. Despite a low mutation rate, isolates with the D614G substitution in the S protein appeared early during the pandemic, and are now the dominant form worldwide. Here, we analyze the D614G mutation in the context of a soluble S ectodomain construct. Cryo-EM structures, antigenicity and proteolysis experiments suggest altered conformational dynamics resulting in enhanced furin cleavage efficiency of the G614 variant. Furthermore, furin cleavage altered the conformational dynamics of the Receptor Binding Domains (RBD) in the G614 S ectodomain, demonstrating an allosteric effect on the RBD dynamics triggered by changes in the SD2 region, that harbors residue 614 and the furin cleavage site. Our results elucidate SARS-CoV-2 spike conformational dynamics and allostery, and have implications for vaccine design. Highlights SARS-CoV-2 S ectodomains with or without the K986P, V987P mutations have similar structures, antigenicity and stability. The D614G mutation alters S protein conformational dynamics. D614G enhances protease cleavage susceptibility at the S protein furin cleavage site. Cryo-EM structures reveal allosteric effect of changes at the S1/S2 junction on RBD dynamics.

Aided by extensive spike protein mutation, the SARS-CoV-2 Omicron variant overtook the previously dominant Delta variant. Spike conformation plays an essential role in SARS-CoV-2 evolution via changes in receptor binding domain (RBD) and neutralizing antibody epitope presentation affecting virus transmissibility and immune evasion. Here, we determine cryo-EM structures of the Omicron and Delta spikes to understand the conformational impacts of mutations in each. The Omicron spike structure revealed an unusually tightly packed RBD organization with long range impacts that were not observed in the Delta spike. Binding and crystallography revealed increased flexibility at the functionally critical fusion peptide site in the Omicron spike. These results reveal a highly evolved Omicron spike architecture with possible impacts on its high levels of immune evasion and transmissibility.

SUMMARY Betacoronaviruses (betaCoVs) caused the severe acute respiratory syndrome (SARS) and Middle East Respiratory Syndrome (MERS) outbreaks, and now the SARS-CoV-2 pandemic. Vaccines that elicit protective immune responses against SARS-CoV-2 and betaCoVs circulating in animals have the potential to prevent future betaCoV pandemics. Here, we show that immunization of macaques with a multimeric SARS-CoV-2 receptor binding domain (RBD) nanoparticle adjuvanted with 3M-052-Alum elicited cross-neutralizing antibody responses against SARS-CoV-1, SARS-CoV-2, batCoVs and the UK B.1.1.7 SARS-CoV-2 mutant virus. Nanoparticle vaccination resulted in a SARS-CoV-2 reciprocal geometric mean neutralization titer of 47,216, and robust protection against SARS-CoV-2 in macaque upper and lower respiratory tracts. Importantly, nucleoside-modified mRNA encoding a stabilized transmembrane spike or monomeric RBD protein also induced SARS-CoV-1 and batCoV cross-neutralizing antibodies, albeit at lower titers. These results demonstrate current mRNA vaccines may provide some protection from future zoonotic betaCoV outbreaks, and provide a platform for further development of pan-betaCoV nanoparticle vaccines.

Abstract The SARS-CoV-2 spike (S) protein, a primary target for COVID-19 vaccine development, presents its Receptor Binding Domain in two conformations: receptor-accessible “up” or receptor-inaccessible “down” conformations. Here, we report that the commonly used stabilized S ectodomain construct “2P” is sensitive to cold temperature, and that this cold sensitivity is resolved in a “down” state stabilized spike. Our results will impact structural, functional and vaccine studies that use the SARS-CoV-2 S ectodomain.

SUMMARY The success of nucleoside-modified mRNAs in lipid nanoparticles (mRNA-LNP) as COVID-19 vaccines heralded a new era of vaccine development. For HIV-1, multivalent envelope (Env) trimer protein nanoparticles are superior immunogens compared to trimers alone for priming of broadly neutralizing antibody (bnAb) B cell lineages. The successful expression of complex multivalent nanoparticle immunogens with mRNAs has not been demonstrated. Here we show that mRNAs can encode antigenic Env trimers on ferritin nanoparticles that initiate bnAb precursor B cell expansion and induce serum autologous tier 2 neutralizing activity in bnAb precursor VH + VL knock-in mice. Next generation sequencing demonstrated acquisition of critical mutations, and monoclonal antibodies that neutralized heterologous HIV-1 isolates were isolated. Thus, mRNA- LNP can encode complex immunogens and are of use in design of germline-targeting and sequential boosting immunogens for HIV-1 vaccine development.

SUMMARY Breast milk secretory IgA antibodies provide a first line of defense against enteric infections. Despite this and an effective vaccine, human rotaviruses (RVs) remain the leading cause of severe infectious diarrhea in children in low- and middle-income countries (LMIC) where vaccine efficacy is lower than that of developed nations. Therapeutic strategies that deliver potently neutralizing antibodies into milk could provide protection against enteric pathogens such as RVs. We developed a murine model of maternal protective-transfer using systemic administration of a dimeric IgA (dIgA) monoclonal antibody. We confirmed that systemically-administered dIgA passively transferred into milk and stomach of suckling pups in a dose-dependent manner. We then demonstrated that systemic administration of an engineered potent RV-neutralizing dIgA (mAb41) in lactating dams protected suckling pups from RV-induced diarrhea. This maternal protective-transfer immunization platform could be an effective strategy to improve infant mortality against enteric infections, particularly in LMIC with high rates of breastfeeding. GRAPHICAL ABSTRACT

ABSTRACT Coronavirus vaccines that are highly effective against SARS-CoV-2 variants are needed to control the current pandemic. We previously reported a receptor-binding domain (RBD) sortase A-conjugated ferritin nanoparticle (RBD-scNP) vaccine that induced neutralizing antibodies against SARS-CoV-2 and pre-emergent sarbecoviruses and protected monkeys from SARS-CoV-2 WA-1 infection. Here, we demonstrate SARS-CoV-2 RBD-scNP immunization induces potent neutralizing antibodies in non-human primates (NHPs) against all eight SARS-CoV-2 variants tested including the Beta, Delta, and Omicron variants. The Omicron variant was neutralized by RBD-scNP-induced serum antibodies with a mean of 10.6-fold reduction of ID50 titers compared to SARS-CoV-2 D614G. Immunization with RBD-scNPs protected NHPs from SARS-CoV-2 WA-1, Beta, and Delta variant challenge, and protected mice from challenges of SARS-CoV-2 Beta variant and two other heterologous sarbecoviruses. These results demonstrate the ability of RBD-scNPs to induce broad neutralization of SARS-CoV-2 variants and to protect NHPs and mice from multiple different SARS-related viruses. Such a vaccine could provide the needed immunity to slow the spread of and reduce disease caused by SARS-CoV-2 variants such as Delta and Omicron.

SUMMARY The CD4 binding site (CD4bs) is a conserved epitope on HIV-1 envelope (Env) that can be targeted by protective broadly neutralizing antibodies (bnAbs). HIV-1 vaccines have not elicited CD4bs bnAbs for many reasons, including the CD4bs is occluded by glycans, immunogen expansion of appropriate naïve B cells, and selection of functional antibody mutations. Here, we demonstrate immunization of macaques with a CD4bs-targeting immunogen elicits neutralizing bnAb precursors with structural and genetic features of CD4-mimicking bnAbs. Structures of the CD4bs nAbs bound to HIV-1 Env demonstrated binding angles similar to human bnAbs and heavy chain second complementarity determining region-dependent binding characteristic of all known human CD4-mimicking bnAbs. Macaque nAbs were derived from variable and joining gene segments orthologous to the genes of human V H 1-46-class bnAbs. This vaccine study initiated the B cells from which derive CD4bs bnAbs in primates, accomplishing the key first step in development of an effective HIV-1 vaccine.