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.

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 The emergence of SARS-CoV in 2003 and SARS-CoV-2 in 2019 highlights the need to develop universal vaccination strategies against the broader Sarbecovirus subgenus. Using chimeric spike designs, we demonstrate protection against challenge from SARS-CoV, SARS-CoV-2, SARS-CoV-2 B.1.351, bat CoV (Bt-CoV) RsSHC014, and a heterologous Bt-CoV WIV-1 in vulnerable aged mice. Chimeric spike mRNAs induced high levels of broadly protective neutralizing antibodies against high-risk Sarbecoviruses. In contrast, SARS-CoV-2 mRNA vaccination not only showed a marked reduction in neutralizing titers against heterologous Sarbecoviruses, but SARS-CoV and WIV-1 challenge in mice resulted in breakthrough infection. Chimeric spike mRNA vaccines efficiently neutralized D614G, UK B.1.1.7., mink cluster five, and the South African B.1.351 variant of concern. Thus, multiplexed-chimeric spikes can prevent SARS-like zoonotic coronavirus infections with pandemic potential. Sentence Chimerized RBD, NTD, and S2 spike mRNA-LNPs protect mice against epidemic, zoonotic, and pandemic SARS-like viruses

Development of an effective AIDS vaccine remains a challenge. Nucleoside-modified mRNAs formulated in lipid nanoparticles (mRNA-LNP) have proved to be a potent mode of immunization against infectious diseases in preclinical studies, and are being tested for SARS-CoV-2 in humans. A critical question is how mRNA-LNP vaccine immunogenicity compares to that of traditional adjuvanted protein vaccines in primates. Here, we found that mRNA-LNP immunization compared to protein immunization elicited either the same or superior magnitude and breadth of HIV-1 Env-specific polyfunctional antibodies. Immunization with mRNA-LNP encoding Zika premembrane and envelope (prM-E) or HIV-1 Env gp160 induced durable neutralizing antibodies for at least 41 weeks. Doses of mRNA-LNP as low as 5 μg were immunogenic in macaques. Thus, mRNA-LNP can be used to rapidly generate single or multi-component vaccines, such as sequential vaccines needed to protect against HIV-1 infection. Such vaccines would be as or more immunogenic than adjuvanted recombinant protein vaccines in primates.

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.

Understanding and eliciting protective immune responses to severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is an urgent priority. To facilitate these objectives, we have profiled the repertoire of human leukocyte antigen class II (HLA-II)-bound peptides presented by HLA-DR diverse monocyte-derived dendritic cells pulsed with SARS-CoV-2 spike (S) protein. We identify 209 unique HLA-II-bound peptide sequences, many forming nested sets, which map to sites throughout S including glycosylated regions. Comparison of the glycosylation profile of the S protein to that of the HLA-II-bound S peptides revealed substantial trimming of glycan residues on the latter, likely introduced during antigen processing. Our data also highlight the receptor-binding motif in S1 as a HLA-DR-binding peptide-rich region. Results from this study have application in vaccine design, and will aid analysis of CD4+ T cell responses in infected individuals and vaccine recipients.

Antibodies perform both neutralizing and non-neutralizing effector functions that protect against certain pathogen-induced diseases. A human antibody directed at the SARS-CoV-2 Spike N-terminal domain (NTD), DH1052, was recently shown to be non-neutralizing, yet it protected mice and cynomolgus macaques from severe disease. The mechanisms of NTD non-neutralizing antibody-mediated protection are unknown. Here we show that Fc effector functions mediate NTD non-neutralizing antibody (non-nAb) protection against SARS-CoV-2 MA10 viral challenge in mice. Though non-nAb prophylactic infusion did not suppress infectious viral titers in the lung as potently as neutralizing antibody (nAb) infusion, disease markers including gross lung discoloration were similar in nAb and non-nAb groups. Fc functional knockout substitutions abolished non-nAb protection and increased viral titers in the nAb group. Fc enhancement increased non-nAb protection relative to WT, supporting a positive association between Fc functionality and degree of protection from SARS-CoV-2 infection. For therapeutic administration of antibodies, non-nAb effector functions contributed to virus suppression and lessening of lung discoloration, but the presence of neutralization was required for optimal protection from disease. This study demonstrates that non-nAbs can utilize Fc-mediated mechanisms to lower viral load and prevent lung damage due to coronavirus infection.

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.

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.

Abstract SARS-CoV-2 Omicron variants have generated a world-wide health crisis due to resistance to most approved SARS-CoV-2 neutralizing antibodies and evasion of antibodies induced by vaccination. Here, we describe the SARS-CoV-2 neutralizing SP1-77 antibody that was generated from a humanized mouse model with a single human V H 1-2 and Vκ1-33-associated with immensely diverse complementarity-determining-region-3 (CDR3) sequences. SP1-77 potently and broadly neutralizes SARS-CoV-2 variants of concern and binds the SARS-CoV-2 spike protein receptor-binding-domain (RBD) via a novel-CDR3-based mode. SP1-77 does not block RBD-binding to the ACE2-receptor or endocytosis step of viral entry, but rather blocks membrane fusion. Our findings provide the first mechanistic insight into how a non-ACE2 blocking antibody potently neutralizes SARS-CoV-2, which may inform strategies for designing vaccines that robustly neutralize current and future SARS-CoV-2 variants.