Sites of vulnerability in SARS-CoV-2 Antibodies that neutralize severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) could be an important tool in treating coronavirus disease 2019 (COVID-19). Brouwer et al. isolated 403 monoclonal antibodies from three convalescent COVID-19 patients. They show that the patients had strong immune responses against the viral spike protein, a complex that binds to receptors on the host cell. A subset of antibodies was able to neutralize the virus. Competition and electron microscopy studies showed that these antibodies target diverse epitopes on the spike, with the two most potent targeting the domain that binds the host receptor. Science , this issue p. 643

A desirable but as yet unachieved property of a human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) vaccine candidate is the ability to induce broadly neutralizing antibodies (bNAbs). One approach to the problem is to create trimeric mimics of the native envelope glycoprotein (Env) spike that expose as many bNAb epitopes as possible, while occluding those for non-neutralizing antibodies (non-NAbs). Here, we describe the design and properties of soluble, cleaved SOSIP.664 gp140 trimers based on the subtype A transmitted/founder strain, BG505. These trimers are highly stable, more so even than the corresponding gp120 monomer, as judged by differential scanning calorimetry. They are also homogenous and closely resemble native virus spikes when visualized by negative stain electron microscopy (EM). We used several techniques, including ELISA and surface plasmon resonance (SPR), to determine the relationship between the ability of monoclonal antibodies (MAbs) to bind the soluble trimers and neutralize the corresponding virus. In general, the concordance was excellent, in that virtually all bNAbs against multiple neutralizing epitopes on HIV-1 Env were highly reactive with the BG505 SOSIP.664 gp140 trimers, including quaternary epitopes (CH01, PG9, PG16 and PGT145). Conversely, non-NAbs to the CD4-binding site, CD4-induced epitopes or gp41ECTO did not react with the trimers, even when their epitopes were present on simpler forms of Env (e.g. gp120 monomers or dissociated gp41 subunits). Three non-neutralizing MAbs to V3 epitopes did, however, react strongly with the trimers but only by ELISA, and not at all by SPR and to only a limited extent by EM. These new soluble trimers are useful for structural studies and are being assessed for their performance as immunogens.

Steps in the right direction HIV-1 mutates rapidly, making it difficult to design a vaccine that will protect people against all of the virus' iterations. A potential successful vaccine design might protect by eliciting broadly neutralizing antibodies (bNAbs), which target specific regions on HIV-1's trimeric envelope glycoprotein (Env) (see the Perspective by Mascola). Jardine et al. used mice engineered to express germline-reverted heavy chains of a particular bNAb and immunized them with an Env-based immunogen designed to bind to precursors of that bNAb. Sanders et al. compared rabbits and monkeys immunized with Env trimers that adopt a nativelike conformation. In both cases, immunized animals produced antibodies that shared similarities with bNAbs. Boosting these animals with other immunogens may drive these antibodies to further mutate into the longsought bNAbs. Chen et al. report that retaining the cytoplasmic domain of Env proteins may be important to attract bNAbs. Removing the cytoplasmic domain may distract the immune response and instead generate antibodies that target epitopes on Env that would not lead to protection. Science , this issue p. 139 , 10.1126/science.aac4223 , p. 156 ; see also p. 191

Molecular and structural characterization is reported for a new broad and potent monoclonal antibody against HIV that binds to an epitope bridging the gp41 and gp120 subunits — the antibody affects a step in virus entry after binding to CD4 and before engagement of CCR5. This paper describes a broadly neutralizing HIV-specific monoclonal antibody that binds with high potency to a novel HIV-1 envelope glycoprotein epitope. Molecular and structural characterization of the new antibody, named 35O22, show that it is specific for a new site of vulnerability made up of amino acids and glycans bridging the gp41 and gp120 subunits. The antibody affects a step in virus entry after binding to CD4 and before engagement of CCR5. Serologic analysis indicates that antibodies to this newly recognized site of vulnerability are commonly elicited by natural infection, raising the prospect that in may be a promising potential vaccine target. The isolation of human monoclonal antibodies is providing important insights into the specificities that underlie broad neutralization of HIV-1 (reviewed in ref. 1). Here we report a broad and extremely potent HIV-specific monoclonal antibody, termed 35O22, which binds a novel HIV-1 envelope glycoprotein (Env) epitope. 35O22 neutralized 62% of 181 pseudoviruses with a half-maximum inhibitory concentration (IC50) <50 μg ml−1. The median IC50 of neutralized viruses was 0.033 μg ml−1, among the most potent thus far described. 35O22 did not bind monomeric forms of Env tested, but did bind the trimeric BG505 SOSIP.664. Mutagenesis and a reconstruction by negative-stain electron microscopy of the Fab in complex with trimer revealed that it bound to a conserved epitope, which stretched across gp120 and gp41. The specificity of 35O22 represents a novel site of vulnerability on HIV Env, which serum analysis indicates to be commonly elicited by natural infection. Binding to this new site of vulnerability may thus be an important complement to current monoclonal-antibody-based approaches to immunotherapies, prophylaxis and vaccine design.

Broadly neutralizing HIV antibodies are much sought after (a) to guide vaccine design, both as templates and as indicators of the authenticity of vaccine candidates, (b) to assist in structural studies, and (c) to serve as potential therapeutics. However, the number of targets on the viral envelope spike for such antibodies has been limited. Here, we describe a set of human monoclonal antibodies that define what is, to the best of our knowledge, a previously undefined target on HIV Env. The antibodies recognize a glycan-dependent epitope on the prefusion conformation of gp41 and unambiguously distinguish cleaved from uncleaved Env trimers, an important property given increasing evidence that cleavage is required for vaccine candidates that seek to mimic the functional HIV envelope spike. The availability of this set of antibodies expands the number of vaccine targets on HIV and provides reagents to characterize the native envelope spike.

All previously characterized broadly neutralizing antibodies to the HIV-1 envelope glycoprotein (Env) target one of four major sites of vulnerability. Here, we define and structurally characterize a unique epitope on Env that is recognized by a recently discovered family of human monoclonal antibodies (PGT151-PGT158). The PGT151 epitope is comprised of residues and glycans at the interface of gp41 and gp120 within a single protomer and glycans from both subunits of a second protomer and represents a neutralizing epitope that is dependent on both gp120 and gp41. Because PGT151 binds only to properly formed, cleaved trimers, this distinctive property, and its ability to stabilize Env trimers, has enabled the successful purification of mature, cleaved Env trimers from the cell surface as a complex with PGT151. Here we compare the structural and functional properties of membrane-extracted Env trimers from several clades with those of the soluble, cleaved SOSIP gp140 trimer.

Summary The HIV-1 envelope glycoprotein (Env) trimer is decorated with N -linked glycans, which are attached to asparagine residues in the amino acid sequon NxT/S by oligosaccharyltransferases (OST). Artificial glycan “holes” exist when a PNGS is under-occupied on recombinant Env-based vaccines, but not on their viral counterpart. Native-like SOSIP trimers, including clinical candidates, have these artificial holes in the glycan shield that induce strain-specific neutralizing antibodies (NAbs) or non-NAbs. To increase PNGS occupancy, eliminate artificial glycan holes, and mimic the glycosylation of native BG505 Env, we replaced all 12 NxS sequons on the BG505 SOSIP trimer with NxT, thereby increasing the affinity of the sequons for OST. All PNGS, except N133 and N160, were nearly fully occupied on the modified trimer. Occupancy of the N133 site could be increased by changing N133 to NxS, while occupancy of the N160 site could be restored by reverting the nearby N156 sequon to NxS. Hence, OST affinity can influence glycan occupancy when two PNGS are in close proximity. Increasing glycan occupancy should reduce off-target immune responses to artificial glycan holes on vaccine antigens.

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 (

Eliciting potent and broadly neutralizing antibodies (bnAbs) is a major goal in HIV-1 vaccine development. Here, we describe how germline-targeting immunogen BG505 SOSIP germline trimer 1.1 (GT1.1), generated through structure-based design, engages a diverse range of VRC01-class bnAb precursors. A single immunization with GT1.1 expands CD4 binding site (CD4bs)–specific VRC01-class B cells in knock-in mice and drives VRC01-class maturation. In nonhuman primates (NHPs), GT1.1 primes CD4bs-specific neutralizing serum responses. Selected monoclonal antibodies (mAbs) isolated from GT1.1-immunized NHPs neutralize fully glycosylated BG505 virus. Two mAbs, 12C11 and 21N13, neutralize subsets of diverse heterologous neutralization-resistant viruses. High-resolution structures revealed that 21N13 targets the same conserved residues in the CD4bs as VRC01-class and CH235-class bnAbs despite its low sequence similarity (~40%), whereas mAb 12C11 binds predominantly through its heavy chain complementarity-determining region 3. These preclinical data underpin the ongoing evaluation of GT1.1 in a phase 1 clinical trial in healthy volunteers.

A vaccine that can achieve protective immunity prior to sexual debut is critical to prevent the estimated 410,000 new HIV infections that occur yearly in adolescents. As children living with HIV can make broadly neutralizing antibody (bnAb) responses in plasma at a faster rate than adults, early childhood is an opportune window for implementation of a multi-dose HIV immunization strategy to elicit protective immunity prior to adolescence. Therefore, the goal of our study was to assess the ability of a B cell lineage-designed HIV envelope SOSIP to induce bnAbs in early life. Infant rhesus macaques (RMs) received either BG505 SOSIP or the germline-targeting BG505 GT1.1 SOSIP (n=5/group) with the 3M-052-SE adjuvant at 0, 6, and 12 weeks of age. All infant RMs were then boosted with the BG505 SOSIP at weeks 26, 52 and 78, mimicking a pediatric immunization schedule of multiple vaccine boosts within the first two years of life. Both immunization strategies induced durable, high magnitude binding antibodies and plasma autologous virus neutralization that primarily targeted the CD4-binding site (CD4bs) or C3/465 epitope. Notably, three BG505 GT1.1-immunized infants exhibited a plasma HIV neutralization signature reflective of VRC01-like CD4bs bnAb precursor development and heterologous virus neutralization. Finally, infant RMs developed precursor bnAb responses at a similar frequency to that of adult RMs receiving a similar immunization strategy. Thus, a multi-dose immunization regimen with bnAb lineage designed SOSIPs is a promising strategy for inducing protective HIV bnAb responses in childhood prior to adolescence when sexual HIV exposure risk begins.