Eluding detection Influenza viruses evade immunity initiated by previous infection, which explains recurrent influenza pandemics. Unlike the error-prone RNA-dependent RNA polymerase of influenza, severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) and related viruses contain polymerases with proofreading activity. However, proofreading cannot correct deletions, which during a long-term persistent infection could result in the generation of viruses showing alteration of entire stretches of amino acids and the structures they form. McCarthy et al. identified an evolutionary signature defined by prevalent and recurrent deletions in the spike protein of SARS-CoV-2 at four antigenic sites. Deletion variants show human-to-human transmission of viruses with altered antigenicity. Science , this issue p. 1139

ABSTRACT Memory B cell reserves can generate protective antibodies against repeated SARS-CoV-2 infections, but with an unknown reach from original infection to antigenically drifted variants. We charted memory B cell receptor-encoded monoclonal antibodies (mAbs) from 19 COVID-19 convalescent subjects against SARS-CoV-2 spike (S) and found 7 major mAb competition groups against epitopes recurrently targeted across individuals. Inclusion of published and newly determined structures of mAb-S complexes identified corresponding epitopic regions. Group assignment correlated with cross-CoV-reactivity breadth, neutralization potency, and convergent antibody signatures. mAbs that competed for binding the original S isolate bound differentially to S variants, suggesting the protective importance of otherwise-redundant recognition. The results furnish a global atlas of the S-specific memory B cell repertoire and illustrate properties conferring robustness against emerging SARS-CoV-2 variants.

Abstract Influenza A viruses in swine have considerable genetic diversity and continue to pose a pandemic threat to humans due to a potential lack of population level immunity. Here we describe a pipeline to characterize and triage influenza viruses for their pandemic risk and examine the pandemic potential of two widespread swine origin viruses. Our analysis reveals that a panel of human sera collected from healthy adults in 2020 has no cross-reactive neutralizing antibodies against a α-H1 clade strain (α-swH1N2) but do against a γ-H1 clade strain. The α-swH1N2 virus replicates efficiently in human airway cultures and exhibits phenotypic signatures similar to the human H1N1 pandemic strain from 2009 (H1N1pdm09). Furthermore, α-swH1N2 is capable of efficient airborne transmission to both naïve ferrets and ferrets with prior seasonal influenza immunity. Ferrets with H1N1pdm09 pre-existing immunity show reduced α-swH1N2 viral shedding and less severe disease signs. Despite this, H1N1pdm09-immune ferrets that became infected via the air can still onward transmit α-swH1N2 with an efficiency of 50%. These results indicate that this α-swH1N2 strain has a higher pandemic potential, but a moderate level of impact since there is reduced replication fitness and pathology in animals with prior immunity.

Abstract Multiple SARS-CoV-2 variants with altered antigenicity have emerged and spread internationally. In one lineage of global concern, we identify a transmitted variant with a deletion in its receptor binding domain (RBD) that disrupts an epitope which is conserved across sarbecoviruses. Overcoming antigenic variation by selectively focusing immune pressure on this conserved site may, ultimately, drive viral resistance.

ABSTRACT Host genomes have acquired diversity from viruses through the capture of viral elements, often from endogenous retroviruses (ERVs). These viral elements contribute new transcriptional control elements and new protein encoding genes, and their refinement through evolution can generate novel physiological functions for the host. EnvP(b)1 is an endogenous retroviral envelope gene found in human and other primate genomes. We show that EnvP(b)1 arose very early in the evolution of primates, i.e. at least 40-47 million years ago, but has nevertheless retained its ability to fuse primate cells. We have detected similar sequences in the genome of a lemur species, suggesting that a progenitor virus may have circulated 55+ million years ago. We demonstrate that EnvP(b)1 protein is expressed in multiple human tissues and is fully processed, rendering it competent to fuse cells. This activated fusogen is expressed in multiple healthy human tissues and is under purifying selection, suggesting that its expression is selectively advantageous. We determined a structure of the inferred receptor binding domain of human EnvP(b)1, revealing close structural similarities between this Env protein and those of currently circulating leukemia viruses, despite poor sequence conservation. This observation highlights a common scaffold from which novel receptor binding specificities have evolved. The evolutionary plasticity of this domain may underlie the diversity of related Envs in circulating viruses and coopted elements alike. The function of EnvP(b)1 in primates remains unknown. SIGNIFICANCE STATEMENT Organisms can access genetic and functional novelty by capturing viral elements within their genomes, where they can evolve to drive new cellular or organismal processes. We demonstrate that a retrovirus envelope gene, EnvP(b)1, has been maintained as a functional protein for 40 to ≥55 million years and is expressed as a protein in multiple healthy human tissues. We believe it has an unknown function in primates. We determined the structure of its inferred receptor binding domain and compared it with the same domain in modern viruses. We find a common conserved architecture that underlies the varied receptor binding activity of divergent Env genes. The modularity and versatility of this domain may underpin the evolutionary success of this clade of fusogens.

Endogenous retroviruses (ERVs), remnants of ancient germline infections, comprise 8% of the human genome. The most recently integrated includes human ERV-K (HERV-K) where several envelope (env) sequences remain intact. Viral pseudotypes decorated with one of those Envs are infectious. Using a recombinant vesicular stomatitis virus encoding HERV-K Env as its sole attachment and fusion protein (VSV-HERVK) we conducted a genome-wide haploid genetic screen to interrogate the host requirements for infection. This screen identified 11 genes involved in heparan sulfate biosynthesis. Genetic inhibition or chemical removal of heparan sulfate and addition of excess soluble heparan sulfate inhibit infection. Direct binding of heparin to soluble HERVK Env and purified VSV-HERVK defines it as critical for viral attachment. Cell surface bound VSV-HERVK particles are triggered to infect on exposure to acidic-pH, whereas acid pH pretreatment of virions blocks infection. Testing of additional endogenous HERV-K env sequences reveals they bind heparin and mediate acid pH triggered fusion. This work reconstructs and defines key steps in the infectious entry pathway of an extinct virus.

Abstract Zoonotic pandemics, like that caused by SARS-CoV-2, can follow the spillover of animal viruses into highly susceptible human populations. Their descendants have adapted to the human host and evolved to evade immune pressure. Coronaviruses acquire substitutions more slowly than other RNA viruses, due to a proofreading polymerase. In the spike glycoprotein, we find recurrent deletions overcome this slow substitution rate. Deletion variants arise in diverse genetic and geographic backgrounds, transmit efficiently, and are present in novel lineages, including those of current global concern. They frequently occupy recurrent deletion regions (RDRs), which map to defined antibody epitopes. Deletions in RDRs confer resistance to neutralizing antibodies. By altering stretches of amino acids, deletions appear to accelerate SARS-CoV-2 antigenic evolution and may, more generally, drive adaptive evolution.

Abstract Nucleic acid vaccines play important roles in the prevention and treatment of diseases. However, limited immunogenicity remains a major obstacle for DNA vaccine applications in the clinic. To address the issue, the present study investigates a cocktail approach to DNA vaccination. In this proof‐of‐the‐concept study, the cocktail consists of two DNAs encoding viral hemagglutinin (HA) and granulocyte‐macrophage colony stimulatory factor (GM‐CSF), respectively. Data from the study demonstrate that recruitment and activation of antigen‐presenting cells (APCs) can be substantially improved by spatiotemporal regulation of GM‐CSF and HA expressions at the site of vaccination. The types of recruited APCs and their phenotypes are also controllable by adjusting the cocktail compositions. Compared to the mono‐ingredient vaccine, the optimized cocktail vaccine is able to enhance the anti‐viral humoral and T cell immune responses. No significant systemic inflammation is detected after either prime or boost immunization using the cocktail vaccine. Data in the study suggest that the DNA cocktail is a safe, effective, and controllable platform for improving vaccine efficacy.

Influenza infection and vaccination impart strain-specific immunity that fails to protect against both seasonal antigenic variants and the next pandemic. However, antibodies directed to conserved sites can confer broad protection. We identify and characterize a class of human antibodies that engage a previously undescribed, conserved, epitope on the influenza hemagglutinin protein (HA). Prototype antibody S8V1-157 binds at the normally occluded interface between the HA head and stem. Antibodies to this HA head-stem interface epitope are non-neutralizing in vitro but protect against lethal infection in mice. Their breadth of binding extends across most influenza A serotypes and seasonal human variants. Antibodies to the head-stem interface epitope are present at low frequency in the memory B cell populations of multiple donors. The immunogenicity of the epitope warrants its consideration for inclusion in improved or universal influenza vaccines.

ABSTRACT Novel animal influenza viruses emerge, initiate pandemics and become endemic seasonal variants that have evolved to escape from prevalent herd immunity. These processes often outpace vaccine-elicited protection. Focusing immune responses on conserved epitopes may impart durable immunity. We describe a focused, protective antibody response, abundant in memory and serum repertoires, to a conserved region at the influenza hemagglutinin head interface. Structures of eleven examples, eight reported here, from seven human donors demonstrate the convergence of responses on a single epitope. The eleven are genetically diverse, with one class having a common, IGκV1-39, light chain. All of the antibodies bind HAs from multiple serotypes. The lack of apparent genetic restriction and potential for elicitation by more than one serotype may explain their abundance. We define the head interface as a major target of broadly protective antibodies with the potential to influence the outcomes of influenza infection.