COVID-19 caused by SARS-CoV-2 has become a global pandemic requiring the development of interventions for the prevention or treatment to curtail mortality and morbidity. No vaccine to boost mucosal immunity or as a therapeutic has yet been developed to SARS-CoV-2. In this study we discover and characterize a cross-reactive human IgA monoclonal antibody, MAb362. MAb362 binds to both SARS-CoV and SARS-CoV-2 spike proteins and competitively blocks hACE2 receptor binding, by completely overlapping the hACE2 structural binding epitope. Furthermore, MAb362 IgA neutralizes both pseudotyped SARS-CoV and SARS-CoV-2 in human epithelial cells expressing hACE2. SARS-CoV-2 specific IgA antibodies, such as MAb362, may provide effective immunity against SARS-CoV-2 by inducing mucosal immunity within the respiratory system, a potentially critical feature of an effective vaccine.

Summary Antibodies elicited in response to infection undergo somatic mutation in germinal centers that can result in higher affinity for the cognate antigen. To determine the effects of somatic mutation on the properties of SARS-CoV-2 spike receptor-binding domain (RBD)-specific antibodies, we analyzed six independent antibody lineages. As well as increased neutralization potency, antibody evolution changed pathways for acquisition of resistance and, in some cases, restricted the range of neutralization escape options. For some antibodies, maturation apparently imposed a requirement for multiple spike mutations to enable escape. For certain antibody lineages, maturation enabled neutralization of circulating SARS-CoV-2 variants of concern and heterologous sarbecoviruses. Antibody-antigen structures revealed that these properties resulted from substitutions that allowed additional variability at the interface with the RBD. These findings suggest that increasing antibody diversity through prolonged or repeated antigen exposure may improve protection against diversifying SARS-CoV-2 populations, and perhaps against other pandemic threat coronaviruses.

The APOBEC3 (A3) family of human cytidine deaminases is renowned for providing a first line of defense against many exogenous and endogenous retroviruses. However, the ability of these proteins to deaminate deoxycytidines in ssDNA makes A3s a double-edged sword. When overexpressed, A3s can mutate endogenous genomic DNA resulting in a variety of cancers. Although the sequence context for mutating DNA varies among A3s, the mechanism for substrate sequence specificity is not well understood. To characterize substrate specificity of A3A, a systematic approach was used to quantify the affinity for substrate as a function of sequence context, length, substrate secondary structure, and pH. We identified the A3A ssDNA binding motif as (T/C)TC(A/G), and found that A3A binds RNA in a sequence specific manner. Furthermore, A3A bound tighter to its substrate binding motif when in a loop compared to linear oligonucleotide. Our results suggest that the A3A affinity and preference for substrate is modulated by the structure of DNA, and not just its chemical identity. Analysis of previously published co-crystal structures of A3A bound to ssDNA in light of the above findings directed the proposal of a new model for the molecular mechanism underlying A3A sequence preference. On a broader scale, the results of this work not only provide key insights into the mechanism of A3's beneficial roles in the cell, especially in viral restriction, but also into A3's deleterious activity such as in the development of cancer.

Hepatitis C virus (HCV), causative agent of chronic viral hepatitis, infects 71 million people worldwide and is divided into seven genotypes and multiple subtypes with sequence identities between 68 to 82%. While older generation direct-acting antivirals (DAAs) had varying effectiveness against different genotypes, the newest NS3/4A protease inhibitors including glecaprevir (GLE) have pan-genotypic activity. The structural basis for pan-genotypic inhibition and effects of polymorphisms on inhibitor potency were not well known due to lack of crystal structures of GLE-bound NS3/4A or genotypes other than 1. In this study, we determined the crystal structures of NS3/4A from genotypes 1a, 3a, 4a and 5a in complex with GLE. Comparison with the highly similar grazoprevir (GZR) indicated the mechanism of GLEs drastic improvement in potency. We found that while GLE is highly potent against wild type NS3/4A of all genotypes, specific resistance-associated substitutions (RASs) confer orders of magnitude loss in inhibition. Our crystal structures reveal molecular mechanisms behind pan-genotypic activity of GLE, including potency loss due to RASs at D168. Our structures permit for the first time analysis of changes due to polymorphisms among genotypes, providing insights into design principles that can aid future drug development and potentially can be extended to other proteins.

APOBEC3s proteins (A3s), a family of human cytidine deaminases, protect the host cell from endogenous retro-elements and exogenous viral infections by introducing hypermutations. However, the ability to mutate genomic DNA makes A3s a potential cancer source. Of the 7 human A3s, A3B has been implicated as an endogenous cause for multiple cancers. Despite overall similarity, A3s have distinct deamination activity with A3B among the least catalytically active. Over the past few years, several structures of apo as well as DNA-bound A3 proteins have been determined. These structures revealed the molecular determinants of nucleotide specificity and the importance of the loops around the active site in DNA binding. However, for A3B, the structural basis for regulation of deamination activity and the role of active site loops in coordinating DNA had remained unknown. In this study, using a combination of advanced molecular modelling followed by experimental mutational analysis and dynamics simulations, we investigated molecular mechanism of A3B regulating activity and DNA binding. We identified a unique auto-inhibited conformation of A3B that restricts access and binding of DNA to the active site, mainly due to the extra PLV residues in loop 1. We modelled DNA binding to fully native A3B and found that Arg211 in the arginine patch of loop1 is the gatekeeper while Arg212 stabilizes the bound DNA. This model also identified the critical residues for substrate specificity, especially at the -1 position. Our results reveal the structural basis for relatively lower catalytic activity of A3B and provide opportunities for rational design of inhibitors that specifically target A3B to benefit cancer therapeutics.