ABSTRACT The SARS-CoV-2 Spike glycoprotein mediates virus entry and is a major target for neutralizing antibodies. All current vaccines are based on the ancestral Spike with the goal of generating a protective neutralizing antibody response. Several novel SARS-CoV-2 variants with multiple Spike mutations have emerged, and their rapid spread and potential for immune escape have raised concerns. One of these variants, first identified in the United Kingdom, B.1.1.7 (also called VUI202012/01), contains eight Spike mutations with potential to impact antibody therapy, vaccine efficacy and risk of reinfection. Here we employed a lentivirus-based pseudovirus assay to show that variant B.1.1.7 remains sensitive to neutralization, albeit at moderately reduced levels (~2-fold), by serum samples from convalescent individuals and recipients of two different vaccines based on ancestral Spike: mRNA-1273 (Moderna), and protein nanoparticle NVX-CoV2373 (Novavax). Some monoclonal antibodies to the receptor binding domain (RBD) of Spike were less effective against the variant while others were largely unaffected. These findings indicate that B.1.1.7 is not a neutralization escape variant that would be a major concern for current vaccines, or for an increased risk of reinfection.

Abstract Antibody affinity maturation enables adaptive immune responses to a wide range of pathogens. In some individuals broadly neutralizing antibodies develop to recognize rapidly mutating pathogens with extensive sequence diversity. Vaccine design for pathogens such as HIV-1 and influenza have therefore focused on recapitulating the natural affinity maturation process. Here, we determined structures of antibodies in complex with HIV-1 Envelope for all observed members and ancestral states of a broadly neutralizing HIV-1 antibody clonal B cell lineage. These structures track the development of neutralization breadth from the unmutated common ancestor and define affinity maturation at high spatial resolution. By elucidating contacts mediated by key mutations at different stages of antibody development we have identified sites on the epitope-paratope interface that are the focus of affinity optimization. Thus, our results identify bottlenecks on the path to natural affinity maturation and reveal solutions for these that will inform immunogen design aimed at eliciting a broadly neutralizing immune response by vaccination. Summary Somatic hypermutation drives affinity maturation of germline-encoded antibodies leading to the development of their pathogen neutralization function 1 . Rational vaccine design efforts that aim to recapitulate affinity maturation rely on information from antibodies elicited and matured during natural infection. High-throughput next generation sequencing and methods for tracing antibody development have allowed close monitoring of the antibody maturation process. Since maturation involves both affinity-enhancing and affinity-independent diversification, the precise effect of each observed mutation, their role in enhancing affinity to antigens, and the order in which the mutations accumulated are often unclear. These gaps in knowledge most acutely hinder efforts directed at difficult targets such as pan-HIV, pan-Influenza, and pan-Coronavirus vaccines. In HIV-1 infection, antibody maturation over several years is required to achieve neutralization breadth. Here, we determined structures of antibodies in complex with HIV-1 Envelope trimers for all observed members and ancestral states of a broadly neutralizing HIV-1 antibody clone to examine affinity maturation as neutralization breadth developed from the unmutated common ancestor. Structural determination of epitope-paratope interfaces revealed details of the contacts evolving over a timescale of several years. Structures along different branches of the clonal lineage elucidated differences in the branch that led to broad neutralization versus off-track paths that culminated in sub-optimal neutralization breadth. We further determined structures of the evolving Envelope revealing details of the virus-antibody co-evolution through visualization of how the virus constructs barriers to evade antibody-mediated neutralization and the mechanisms by which the developing antibody clone circumvents these barriers. Together, our structures provide a detailed time-resolved imagery of the affinity maturation process through atomic level descriptions of virus-antibody co-evolution leading to broad HIV neutralization. While the findings from our studies have direct relevance to HIV-1, the principles of affinity optimization and breadth development elucidated in our study should have broad relevance to other pathogens.

ABSTRACT The continued evolution of SARS-CoV-2 may lead to evasion of vaccine immunity and natural immunity. A highly mutated Omicron variant BA.2.86 has recently been identified with over 30 amino acid changes in Spike compared with BA.2 and XBB.1.5. As of September 4, 2023, BA.2.86 has been identified in 37 sequences from 10 countries, which is likely an underestimate due to limited surveillance. The ability of BA.2.86 to evade NAbs compared with other currently circulating Omicron variants remains unknown. Our data show that NAb responses to BA.2.86 were lower than to BA.2 but were comparable or slightly higher than to the current circulating recombinant variants XBB.1.5, XBB.1.16, EG.5, EG.5.1, and FL.1.5.1.

The dense arrangement of N-glycans masking antigenic surfaces on the HIV-1 envelope (Env) protein acts as a shield from the adaptive immune system. The molecular complexity of glycan modifications and their inherent dynamic heterogeneity on a protein surface make experimental studies of glycoprotein structures a challenge. Here we have integrated a high-throughput atomistic modeling with graph-theory based method to capture the native glycan shield topological network and identify concerted behavior of these glycans. This is the first time that a complete computational model of an HIV-1 Env trimeric SOSIP structure has been generated with a native glycosylation pattern including both oligomannose and complex glycans, thus obtaining results which are immunologically more relevant. Important global and local feature differences due to the native-like glycosylation pattern have been identified, that stem from the charged sialic acid tips, fucose rings at the base, and different branching patterns of the complex glycans. Analyses of network attributes have aided in detailed description of the shield in a biological context. We have also derived a measure to quantify the shielding effect based on the number of glycan heavy atoms encountered over the antigenic protein surface that can define regions of relative vulnerability and resilience on the shield, and can be harnessed for potential immunogen design.