Stabilizing the prefusion SARS-CoV-2 spike The development of therapeutic antibodies and vaccines against severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is focused on the spike (S) protein that decorates the viral surface. A version of the spike ectodomain that includes two proline substitutions (S-2P) and stabilizes the prefusion conformation has been used to determine high-resolution structures. However, even S-2P is unstable and difficult to produce in mammalian cells. Hsieh et al. characterized many individual and combined structure-guided substitutions and identified a variant, named HexaPro, that retains the prefusion conformation but shows higher expression than S-2P and can also withstand heating and freezing. This version of the protein is likely to be useful in the development of vaccines and diagnostics. Science , this issue p. 1501

Cohesin extrudes DNA loops DNA is folded into loops in eukaryotic cells by a process that depends on a ring-shaped adenosine triphosphatase complex called cohesin. Davidson et al. and Kim et al. now show that in the presence of the NIPBLMAU2 protein complex, the human cohesin complex can function as a molecular motor that extrudes DNA loops with high speed in vitro. In contrast to how it mediates sister chromatid cohesion, cohesin does not appear to entrap DNA topologically during loop extrusion. The results provide direct evidence for the loop extrusion model of chromatin organization and suggest that genome architecture is highly dynamic. Science , this issue p. 1338 , p. 1345

Ultrafast two-dimensional infrared (2D-IR) vibrational echo spectroscopy can probe structural dynamics under thermal equilibrium conditions on time scales ranging from femtoseconds to ∼100ps and longer. One of the important uses of 2D-IR spectroscopy is to monitor the dynamical evolution of a molecular system by reporting the time dependent frequency fluctuations of an ensemble of vibrational probes. The vibrational frequency-frequency correlation function (FFCF) is the connection between the experimental observables and the microscopic molecular dynamics and is thus the central object of interest in studying dynamics with 2D-IR vibrational echo spectroscopy. A new observable is presented that greatly simplifies the extraction of the FFCF from experimental data. The observable is the inverse of the center line slope (CLS) of the 2D spectrum. The CLS is the inverse of the slope of the line that connects the maxima of the peaks of a series of cuts through the 2D spectrum that are parallel to the frequency axis associated with the first electric field-matter interaction. The CLS varies from a maximum of 1 to 0 as spectral diffusion proceeds. It is shown analytically to second order in time that the CLS is the Tw (time between pulses 2 and 3) dependent part of the FFCF. The procedure to extract the FFCF from the CLS is described, and it is shown that the Tw independent homogeneous contribution to the FFCF can also be recovered to yield the full FFCF. The method is demonstrated by extracting FFCFs from families of calculated 2D-IR spectra and the linear absorption spectra produced from known FFCFs. Sources and magnitudes of errors in the procedure are quantified, and it is shown that in most circumstances, they are negligible. It is also demonstrated that the CLS is essentially unaffected by Fourier filtering methods (apodization), which can significantly increase the efficiency of data acquisition and spectral resolution, when the apodization is applied along the axis used for obtaining the CLS and is symmetrical about τ=0. The CLS is also unchanged by finite pulse durations that broaden 2D spectra.

The molecular composition and binding epitopes of the immunoglobulin G (IgG) antibodies that circulate in blood plasma after severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infection are unknown. Proteomic deconvolution of the IgG repertoire to the spike glycoprotein in convalescent subjects revealed that the response is directed predominantly (>80%) against epitopes residing outside the receptor binding domain (RBD). In one subject, just four IgG lineages accounted for 93.5% of the response, including an amino (N)-terminal domain (NTD)-directed antibody that was protective against lethal viral challenge. Genetic, structural, and functional characterization of a multidonor class of "public" antibodies revealed an NTD epitope that is recurrently mutated among emerging SARS-CoV-2 variants of concern. These data show that "public" NTD-directed and other non-RBD plasma antibodies are prevalent and have implications for SARS-CoV-2 protection and antibody escape.

The COVID-19 pandemic caused by the novel coronavirus SARS-CoV-2 has led to accelerated efforts to develop therapeutics, diagnostics, and vaccines to mitigate this public health emergency. A key target of these efforts is the spike (S) protein, a large trimeric class I fusion protein that is metastable and difficult to produce recombinantly in large quantities. Here, we designed and expressed over 100 structure-guided spike variants based upon a previously determined cryo-EM structure of the prefusion SARS-CoV-2 spike. Biochemical, biophysical and structural characterization of these variants identified numerous individual substitutions that increased protein yields and stability. The best variant, HexaPro, has six beneficial proline substitutions leading to ~10-fold higher expression than its parental construct and is able to withstand heat stress, storage at room temperature, and multiple freeze-thaws. A 3.2 Å-resolution cryo-EM structure of HexaPro confirmed that it retains the prefusion spike conformation. High-yield production of a stabilized prefusion spike protein will accelerate the development of vaccines and serological diagnostics for SARS-CoV-2.

The ongoing evolution of SARS-CoV-2 into more easily transmissible and infectious variants has sparked concern over the continued effectiveness of existing therapeutic antibodies and vaccines. Hence, together with increased genomic surveillance, methods to rapidly develop and assess effective interventions are critically needed. Here we report the discovery of SARS-CoV-2 neutralizing antibodies isolated from COVID-19 patients using a high-throughput platform. Antibodies were identified from unpaired donor B-cell and serum repertoires using yeast surface display, proteomics, and public light chain screening. Cryo-EM and functional characterization of the antibodies identified N3-1, an antibody that binds avidly (K

Summary The worldwide spread of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) has led to the repeated emergence of variants of concern. The Omicron variant has two dominant sub-lineages, BA.1 and BA.2, each with unprecedented numbers of nonsynonymous and indel spike protein mutations: 33 and 29, respectively. Some of these mutations individually increase transmissibility and enhance immune evasion, but their interactions within the Omicron mutational background is unknown. We characterize the molecular effects of all Omicron spike mutations on expression, human ACE2 receptor affinity, and neutralizing antibody recognition. We show that key mutations enable escape from neutralizing antibodies at a variety of epitopes. Stabilizing mutations in the N-terminal and S2 domains of the spike protein compensate for destabilizing mutations in the receptor binding domain, thereby enabling the record number of mutations in Omicron sub-lineages. Taken together, our results provide a comprehensive account of the mutational effects in the Omicron spike protein and illuminate previously unknown mechanisms of how the N-terminal domain can compensate for destabilizing mutations within the more evolutionarily constrained RBD.

Abstract Cohesin and CCCTC-binding factor (CTCF) are key regulatory proteins of three-dimensional (3D) genome organization. Cohesin extrudes DNA loops that are anchored by CTCF in a polar orientation. Here, we present direct evidence that CTCF binding polarity controls cohesin-mediated DNA looping. Using single-molecule imaging of CTCF-cohesin collisions, we demonstrate that a critical N-terminal motif of CTCF blocks cohesin translocation and DNA looping. The cryo-electron microscopy structure of the intact cohesin-CTCF complex reveals that this CTCF motif ahead of zinc-fingers can only reach its binding site on the STAG1 cohesin subunit when the N-terminus of CTCF faces cohesin. Remarkably, a C-terminally oriented CTCF accelerates DNA compaction by cohesin. DNA-bound Cas9 and Cas12a ribonucleoproteins are also polar cohesin barriers, indicating that stalling is intrinsic to cohesin itself, and other proteins can substitute for CTCF in fruit flies and other eukaryotes. Finally, we show that RNA-DNA hybrids (R-loops) block cohesin-mediated DNA compaction in vitro and are enriched with cohesin subunits in vivo, likely forming TAD boundaries. Our results provide direct evidence that CTCF orientation and R-loops shape the 3D genome by directly regulating cohesin.

Abstract The SARS-CoV-2 spike (S) protein is a critical component of subunit vaccines and a target for neutralizing antibodies. Spike is also undergoing immunogenic selection with clinical variants that increase infectivity and partially escape convalescent plasma. Here, we describe spike display, a high-throughput platform to rapidly characterize glycosylated spike ectodomains across multiple coronavirus-family proteins. We assayed ∼200 variant SARS-CoV-2 spikes for their expression, ACE2 binding, and recognition by thirteen neutralizing antibodies (nAbs). An alanine scan of all five N-terminal domain (NTD) loops highlights a public class of epitopes in the N1, N3, and N5 loops that are recognized by most of the NTD-binding nAbs. Some clinical NTD substitutions abrogate binding to these epitopes but are circulating at low frequencies around the globe. NTD mutations in variants of concern B.1.1.7 (United Kingdom), B.1.351 (South Africa), B.1.1.248 (Brazil), and B.1.427/B.1.429 (California) impact spike expression and escape most NTD-targeting nAbs. However, two classes of NTD nAbs still bind B.1.1.7 spikes and neutralize in pseudoviral assays. B.1.351 and B.1.1.248 include compensatory mutations that either increase spike expression or increase ACE2 binding affinity. Finally, B.1.351 and B.1.1.248 completely escape a potent ACE2 peptide mimic. We anticipate that spike display will accelerate antigen design, deep scanning mutagenesis, and antibody epitope mapping for SARS-CoV-2 and other emerging viral threats.