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.

Abstract A major goal of HIV-1 vaccine development is induction of broadly neutralizing antibodies (bnAbs). While success has been achieved in initiating bnAb B cell lineages, design of boosting immunogens that select for bnAb B cell receptors with improbable mutations required for bnAb affinity maturation remains difficult. Here we demonstrate a process for designing boosting immunogens for a V3-glycan bnAb B cell lineage. The immunogens induced affinity-matured antibodies by selecting for functional improbable mutations in bnAb precursor knock-in mice. Moreover, we show similar success in prime and boosting with nucleoside-modified mRNA-encoded HIV-1 envelope trimer immunogens, with improved selection by mRNA immunogens of improbable mutations required for bnAb binding to key envelope glycans. These results demonstrate the ability of both protein and mRNA prime-boost immunogens for selection of rare B cell lineage intermediates with neutralizing breadth after bnAb precursor expansion, a key proof-of concept and milestone towards development of an HIV vaccine. One-Sentence Summary A vaccine strategy for selecting key rare antibody mutations is shown to induce HIV broadly neutralizing antibodies in mice.

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 The HIV-1 envelope (Env) is comprised by mass of over 50% glycans. A goal of HIV-1 vaccine development is the induction of Env glycan-reactive broadly neutralizing antibodies (bnAbs). The 2G12 bnAb recognizes an Env glycan cluster using a unique variable heavy (V H ) domain-swapped conformation that results in fragment antigen-binding (Fab) dimerization. Here we describe Fab-dimerized glycan (FDG)-reactive antibodies without V H -swapped domains from simian-human immunodeficiency virus (SHIV)-infected macaques that neutralized heterologous HIV-1 isolates. FDG precursors were boosted by vaccination in macaques, and were present in HIV-1-naïve humans with an average estimated frequency of one per 340,000 B cells. These data demonstrate frequent HIV-1 Env glycan-reactive bnAb B cell precursors in macaques and humans and reveal a novel strategy for their induction by vaccination. Highlights Discovery of Fab-dimerized HIV-1 glycan-reactive antibodies with a non-domain-swapped architecture Fab-dimerized antibodies neutralize heterologous HIV-1 isolates. Antibodies with this architecture can be elicited by vaccination in macaques. Fab-dimerized antibodies are found in HIV-1 naïve humans.

Adolescents are a growing population of people living with HIV. The period between weaning and sexual debut presents a low-risk window for HIV acquisition, making early childhood an ideal time for implementing an immunization regimen. Because the elicitation of broadly neutralizing antibodies (bnAbs) is critical for an effective HIV vaccine, our goal was to assess the ability of a bnAb B cell lineage-designed HIV envelope SOSIP (protein stabilized by a disulfide bond between gp120-gp41-named "SOS"-and an isoleucine-to-proline point mutation-named "IP"-at residue 559) to induce precursor CD4 binding site (CD4bs)-targeting bnAbs in early life. Infant rhesus macaques received either a BG505 SOSIP, based on the infant BG505 transmitted/founder virus, or the CD4bs germ line-targeting BG505 SOSIP GT1.1 (

Summary The BA.2 sub-lineage of the SARS-CoV-2 Omicron variant has gained in proportion relative to BA.1. As differences in spike (S) proteins may underlie differences in their pathobiology, here we determine cryo-EM structures of a BA.2 S ectodomain and compare these to previously determined BA.1 S structures. BA.2 Receptor Binding Domain (RBD) mutations induced remodeling of the internal RBD structure resulting in its improved thermostability and tighter packing within the 3-RBD-down spike. In the S2 subunit, the fusion peptide in BA.2 was less accessible to antibodies than in BA.1. Pseudovirus neutralization and spike binding assays revealed extensive immune evasion while defining epitopes of two RBD-directed antibodies, DH1044 and DH1193, that bound the outer RBD face to neutralize both BA.1 and BA.2. Taken together, our results indicate that stabilization of the 3-RBD-down state through interprotomer RBD-RBD packing is a hallmark of the Omicron variant, and reveal differences in key functional regions in the BA.1 and BA.2 S proteins.

Abstract Cytomegalovirus (CMV) is a leading cause of infant hearing loss and neurodevelopmental delay, but vaccine candidates have faced challenges eliciting neutralizing antibodies. One of the most well-studied targets for CMV vaccines is the viral fusogen glycoprotein B (gB), which is required for viral entry into host cells. Within gB, antigenic domain 2 site 1 (AD-2S1) is a target of potently neutralizing antibodies, but gB-based candidate vaccines have yet to elicit robust responses against this region. We mapped the genealogy of B cells encoding potently neutralizing anti-gB AD-2S1 antibodies from their inferred unmutated common ancestor (UCA) and characterized the binding and function of early lineage ancestors. Remarkably, we found that the single amino acid heavy chain mutation A33N, an improbable mutation rarely generated by somatic hypermutation machinery, conferred broad CMV neutralization to the UCA antibody. Structural studies revealed that this mutation mediated key contacts with the gB AD-2S1 epitope. Collectively, these results provide insight into potently neutralizing gB-directed antibody evolution and a foundation for designing next-generation CMV vaccines. One-sentence summary This manuscript identifies an early B cell lineage mutation that confers neutralizing function to antibodies targeting CMV fusogen gB.

Immune responses to SARS-CoV-2 primarily target the receptor binding domain of the spike protein, which continually mutates to escape acquired immunity. Other regions in the spike S2 subunit, such as the stem helix and the segment encompassing residues 815-823 adjacent to the fusion peptide, are highly conserved across sarbecoviruses and are recognized by broadly reactive antibodies, providing hope that vaccines targeting these epitopes could offer protection against both current and emergent viruses. Here we employed computational modeling to design scaffolded immunogens that display the spike 815-823 peptide and the stem helix epitopes without the distracting and immunodominant RBD. These engineered proteins bound with high affinity and specificity to the mature and germline versions of previously identified broadly protective human antibodies. Epitope scaffolds interacted with both sera and isolated monoclonal antibodies with broadly reactivity from individuals with pre-existing SARS-CoV-2 immunity. When used as immunogens, epitope scaffolds elicited sera with broad betacoronavirus reactivity and protected as "boosts" against live virus challenge in mice, illustrating their potential as components of a future pancoronavirus vaccine.

HIV-1 broadly neutralizing antibodies (bnAbs) require high levels of activation-induced cytidine deaminase (AID) catalyzed somatic mutations for optimal neutralization potency. Probable mutations occur at sites of frequent AID activity, while improbable mutations occur where AID activity is infrequent. One bottleneck for induction of bnAbs is the evolution of viral envelopes (Envs) that can select bnAb B cell receptors (BCR) with improbable mutations. Here we define the probability of bnAb mutations and demonstrate the functional significance of key improbable mutations in three bnAb B cell lineages. We show that bnAbs are enriched for improbable mutations, implying their elicitation will be critical for successful vaccine induction of potent bnAb B cell lineages. We outline a mutation-guided vaccine strategy for identification of Envs that can select B cells with BCRs with key improbable mutations required for bnAb development. Our analysis suggests that through generations of viral escape, Env trimers evolved to hide in low probability regions of antibody sequence space.

Generating sufficient antibody to block infection is a key challenge for vaccines against malaria. Here we show that antibody titres to a key target, the repeat region of the Plasmodium falciparum circumsporozoite protein (PfCSP), plateaued after two immunizations in a clinical trial of the radiation-attenuated sporozoite vaccine. To understand the mechanisms limiting vaccine responsiveness, we developed Ig-knockin mice with elevated numbers of PfCSP-binding B cells. We determined that recall responses were inhibited by antibody feedback via epitope masking of the immunodominant PfCSP repeat region. Importantly, the amount of antibody that prevents boosting is below the amount of antibody required for protection. Finally, while antibody feedback limited responses to the PfCSP-repeat region in vaccinated volunteers, potentially protective subdominant responses to C-terminal regions did expand with subsequent boosts. These data suggest that antibody feedback drives the diversification of immune responses and that vaccination for malaria will require the targeting of multiple antigens.