Abstract A serious public health crisis is currently unfolding due to the SARS-CoV-2 pandemic. SARS-CoV-2 viral entry depends on an interaction between the receptor binding domain of the trimeric viral Spike protein (Spike-RBD) and the dimeric human angiotensin converting enzyme 2 (ACE2) receptor. While it is clear that strategies to block the Spike/ACE2 interaction are promising as anti-SARS-CoV-2 therapeutics, our current understanding is insufficient for the rational design of maximally effective therapeutic molecules. Here, we investigated the mechanism of Spike/ACE2 interaction by characterizing the binding affinity and kinetics of different multimeric forms of recombinant ACE2 and Spike-RBD domain. We also engineered ACE2 into a split Nanoluciferase-based reporter system to probe the conformational landscape of Spike-RBDs in the context of the Spike trimer. Interestingly, a dimeric form of ACE2, but not monomeric ACE2, binds with high affinity to Spike and blocks viral entry in pseudotyped virus and live SARS-CoV-2 virus neutralization assays. We show that dimeric ACE2 interacts with an RBD on Spike with limited intra-Spike avidity, which nonetheless contributes to the affinity of this interaction. Additionally, we demonstrate that a proportion of Spike can simultaneously interact with multiple ACE2 dimers, indicating that more than one RBD domain in a Spike trimer can adopt an ACE2-accessible “up” conformation. Our findings have significant implications on the design strategies of therapeutic molecules that block the Spike/ACE2 interaction. The constructs we describe are freely available to the research community as molecular tools to further our understanding of SARS-CoV-2 biology.

An essential mechanism for SARS-CoV-1 and -2 infection begins with the viral spike protein binding to the human receptor protein angiotensin-converting enzyme II (ACE2). Here we describe a stepwise engineering approach to generate a set of affinity optimized, enzymatically inactivated ACE2 variants that potently block SARS-CoV-2 infection of cells. These optimized receptor traps tightly bind the receptor binding domain (RBD) of the viral spike protein and prevent entry into host cells. We first computationally designed the ACE2-RBD interface using a two-stage flexible protein backbone design process that improved affinity for the RBD by up to 12-fold. These designed receptor variants were affinity matured an additional 14-fold by random mutagenesis and selection using yeast surface display. The highest affinity variant contained seven amino acid changes and bound to the RBD 170-fold more tightly than wild-type ACE2. With the addition of the natural ACE2 collectrin domain and fusion to a human Fc domain for increased stabilization and avidity, the most optimal ACE2 receptor traps neutralized SARS-CoV-2 pseudotyped lentivirus and authentic SARS-CoV-2 virus with half-maximal inhibitory concentrations (IC50) in the 10-100 ng/ml range. Engineered ACE2 receptor traps offer a promising route to fighting infections by SARS-CoV-2 and other ACE2-utilizing coronaviruses, with the key advantage that viral resistance would also likely impair viral entry. Moreover, such traps can be predesigned for viruses with known entry receptors for faster therapeutic response without the need for neutralizing antibodies isolated or generated from convalescent patients.

Abstract Background Despite advancements in cancer immunotherapy, solid tumors remain formidable challenges. In glioma, profound inter-and intra-tumoral heterogeneity of antigen landscape hampers therapeutic development. Therefore, it is critical to consider alternative sources to expand the repertoire of targetable (neo-)antigens and improve therapeutic outcomes. Accumulating evidence suggests that tumor-specific alternative splicing (AS) could be an untapped reservoir of neoantigens. Results In this study, we investigated tumor-specific AS events in glioma, focusing on those predicted to generate major histocompatibility complex (MHC)-presentation-independent, cell-surface neoantigens that could be targeted by antibodies and chimeric antigen receptor (CAR)-T cells. We systematically analyzed bulk RNA-sequencing datasets comparing 429 tumor samples (from The Cancer Genome Atlas [TCGA]) and 9,166 normal tissue samples (from the Genotype-Tissue Expression project [GTEx]), and identified 13 AS events in 7 genes predicted to be expressed in more than 10% of the patients, including PTPRZ1 and BCAN , which were corroborated by an external RNA-sequencing dataset. Subsequently, we validated our predictions and elucidated the complexity of the isoforms using full-length transcript amplicon sequencing on patient-derived glioblastoma cells. However, analyses of the RNA-sequencing datasets of spatially mapped and longitudinally collected clinical tumor samples unveiled remarkable spatiotemporal heterogeneity of the candidate AS events. Furthermore, proteomics analysis did not reveal any peptide spectra matching the putative neoantigens. Conclusions Our investigation illustrated the diverse characteristics of the tumor-specific AS events and the challenges of antigen exploration due to their notable spatiotemporal heterogeneity and elusive nature at the protein levels. Redirecting future efforts toward intracellular, MHC-presented antigens could offer a more viable avenue.