Summary The generation of high-quality antibody responses to PfCSP, the primary surface antigen of Plasmodium falciparum sporozoites, is paramount to the development of an effective malaria vaccine. Here we present an in-depth structural and functional analysis of a panel of potent antibodies encoded by the IGHV3-33 germline gene, which is among the most prevalent and potent antibody families induced in the anti-CSP immune response and targets the NANP repeat region. Cryo-EM reveals a remarkable spectrum of helical Fab-CSP structures stabilized by homotypic interactions between tightly packed Fabs, many of which correlate with somatic hypermutation. We demonstrate a key role of these mutated homotypic contacts for high avidity binding to CSP and in protection from P. falciparum malaria infection. These data emphasize the importance of anti-homotypic affinity maturation in the frequent selection of IGHV3-33 antibodies, advance our understanding of the mechanism(s) of antibody-mediated protection, and inform next generation CSP vaccine design.

Abstract Computationally designed protein nanoparticles have recently emerged as a promising platform for the development of new vaccines and biologics. For many applications, secretion of designed nanoparticles from eukaryotic cells would be advantageous, but in practice they often secrete poorly. Here we show that designed hydrophobic interfaces that drive nanoparticle assembly are often predicted to form cryptic transmembrane domains, suggesting that interaction with the membrane insertion machinery could limit efficient secretion. We develop a general computational protocol, the Degreaser, to design away cryptic transmembrane domains without sacrificing protein stability. Retroactive application of the Degreaser to previously designed nanoparticle components and nanoparticles considerably improves secretion, and modular integration of the Degreaser into design pipelines results in new nanoparticles that secrete as robustly as naturally occurring protein assemblies. Both the Degreaser protocol and the novel nanoparticles we describe may be broadly useful in biotechnological applications.

Abstract Preexisting immunity against seasonal coronaviruses (CoV) represents an important variable in predicting antibody responses and disease severity to Severe Acute Respiratory Syndrome CoV-2 (SARS-2) infections. We used electron microscopy based polyclonal epitope mapping (EMPEM) to characterize the antibody specificities against β-CoV spike proteins in sera from healthy donors (HDs) or SARS-2 convalescent donors (CDs). We observed that most HDs possessed antibodies specific to seasonal human CoVs (HCoVs) OC43 and HKU1 spike proteins while the CDs showed reactivity across all human β-CoVs. Detailed molecular mapping of spike-antibody complexes revealed epitopes that were differentially targeted by antibodies in preexisting and convalescent serum. Our studies provide an antigenic landscape to β-HCoV spikes in the general population serving as a basis for cross-reactive epitope analyses in SARS-2 -infected individuals. One-Sentence summary We present the epitope mapping of polyclonal antibodies against beta-coronavirus spike proteins in human sera.

Abstract Plasmodium falciparum pathology is driven by the accumulation of parasite-infected erythrocytes in microvessels. This process is mediated by the parasite’s polymorphic erythrocyte membrane protein 1 (PfEMP1) adhesion proteins. A subset of PfEMP1 variants that bind human endothelial protein C receptor (EPCR) through their CIDRα1 domains is responsible for severe malaria pathogenesis. A longstanding question is whether individual antibodies can recognize the large repertoire of circulating PfEMP1 variants. Here, we describe two broadly reactive and binding-inhibitory human monoclonal antibodies against CIDRα1. The antibodies isolated from two different individuals exhibited a similar and consistent EPCR-binding inhibition of 34 CIDRα1 domains, representing five of the six subclasses of CIDRα1. Both antibodies inhibited EPCR binding of both recombinant full-length and native PfEMP1 proteins as well as parasite sequestration in bioengineered 3D brain microvessels under physiologically relevant flow conditions. Structural analyses of the two antibodies in complex with two different CIDRα1 antigen variants reveal similar binding mechanisms that depend on interactions with three highly conserved amino acid residues of the EPCR-binding site in CIDRα1. These broadly reactive antibodies likely represent a common mechanism of acquired immunity to severe malaria and offer novel insights for the design of a vaccine or treatment targeting severe malaria.

Abstract Vaccination strategies against HIV-1 aim to elicit broadly neutralizing antibodies (bnAbs) using prime-boost regimens with HIV envelope (Env) immunogens. Early antibody responses to easily accessible epitopes on these antigens are directed to non-neutralizing epitopes instead of bnAb epitopes. Autologous neutralizing antibody responses appear upon boosting once immunodominant epitopes are saturated. Here we report another type of antibody response that arises after repeated immunizations with HIV Env immunogens and present the structures of six anti-immune complexes discovered using polyclonal epitope mapping. The anti-immune complex antibodies target idiotopes composed of framework regions of antibodies bound to Env. This work sheds light on current vaccine development efforts for HIV, as well as for other pathogens, in which repeated exposure to antigen is required. One Sentence Summary Polyclonal epitope mapping reveals anti-immune complex antibodies which target idiotopes on antibodies bound to HIV Env.

Summary Broadly neutralizing antibodies against influenza virus hemagglutinin (HA) have the potential to provide universal protection against influenza virus infections. Here, we report a distinct class of broadly neutralizing antibodies targeting an epitope toward the bottom of the HA stalk domain where HA is “anchored” to the viral membrane. Antibodies targeting this membrane-proximal anchor epitope utilized a highly restricted repertoire, which encode for two conserved motifs responsible for HA binding. Anchor targeting B cells were common in the human memory B cell repertoire across subjects, indicating pre-existing immunity against this epitope. Antibodies against the anchor epitope at both the serological and monoclonal antibody levels were potently induced in humans by a chimeric HA vaccine, a potential universal influenza virus vaccine. Altogether, this study reveals an underappreciated class of broadly neutralizing antibodies against H1-expressing viruses that can be robustly recalled by a candidate universal influenza virus vaccine.

Abstract Lassa virus is endemic in large parts of West Africa and causes a hemorrhagic fever. Recent years have seen several serious outbreaks of Lassa fever with high mortality rates. A vaccine to curtail infection is urgently needed. The development of a recombinant protein vaccine has been hampered by the instability of soluble Lassa virus glycoprotein complex (GPC) trimers, which disassemble into monomeric subunits after expression. Here we use two-component protein nanoparticles to stabilize GPC in a trimeric conformation and present twenty prefusion GPC trimers on the surface of an icosahedral nanoparticle. Cryo-EM studies of assembled GPC nanoparticles demonstrated a well-ordered structure and yielded a high-resolution structure of an unliganded GPC. These nanoparticles induced potent humoral immune responses in rabbits and protective immunity against a lethal Lassa virus challenge in guinea pigs. We isolated a neutralizing antibody which was mapped to the putative receptor-binding site, revealing a novel site of vulnerability on GPC.

Abstract One of the rate-limiting steps in analyzing immune responses to vaccines or infections is the isolation and characterization of monoclonal antibodies. Here, we present a hybrid structural and bioinformatic approach to directly assign the heavy and light chains, identify complementarity-determining regions and discover sequences from cryoEM density maps of serum-derived polyclonal antibodies bound to an antigen. When combined with next generation sequencing of immune repertoires we were able to specifically identify clonal family members, synthesize the monoclonal antibodies and confirm that they interact with the antigen in a manner equivalent to the corresponding polyclonal antibodies. This structure-based approach for identification of monoclonal antibodies from polyclonal sera opens new avenues for analysis of immune responses and iterative vaccine design. Graphical Abstract One Sentence Summary CryoEM and next generation sequencing were used to identify monoclonal antibodies elicited by HIV Env vaccine candidates.

Members of the OSCA/TMEM63 are mechanically activated ion channels and structures of some OSCA members have revealed the architecture of these channels and structural features that are potentially involved in mechanosensation. However, these structures are all in a similar state and information about the motion of different elements of the structure is limited, preventing a deeper understanding of how these channels work. Here, we used cryo-electron microscopy to determine high resolution structures of Arabidopsis thaliana OSCA1.2 and OSCA2.3 in peptidiscs. The structure of OSCA1.2 resembles previous structures of the same protein in different environments. Yet, in OSCA2.3 the TM6a-TM7 linker constricts the pore on its cytoplasmic side, revealing conformational heterogeneity within the OSCA family. Furthermore, coevolutionary sequence analysis uncovered a conserved interaction between TM6a-TM7 linker and the Beam-Like Domain. Our results support the involvement of TM6a-TM7 in mechanosensation and potentially in the diverse response of OSCA channels to mechanical stimuli.

Abstract The generation of broadly neutralizing antibodies (bnAbs) to specific HIV epitopes of the HIV Envelope (Env) is one of the cornerstones of HIV vaccine research. The current animal models we use have been unable to reliable produce a broadly neutralizing antibody response, with the exception of cows. Cows have rapidly and reliably produced a CD4 binding site response by homologous prime and boosting with a native-like Env trimer. In small animal models other engineered immunogens previously have been able to focus antibody responses to the bnAb V2-apex region of Env. Here, we immunized two groups of cows (n=4) with two regiments of V2-apex focusing immunogens to investigate whether antibody responses could be directed to the V2-apex on Env. Group 1 were immunized with chimpanzee simian immunodeficiency virus (SIV)-Env trimer that shares its V2-apex with HIV, followed by immunization with C108, a V2-apex focusing immunogen, and finally boosted with a cross-clade native-like trimer cocktail. Group 2 were immunized with HIV C108 Env trimer followed by the same HIV trimer cocktail as Group 1. Longitudinal serum analysis showed that one cow in each group developed serum neutralizing antibody responses to the V2-apex. Eight and 11 bnAbs were isolated from Group 1 and Group 2 cows respectively. The best bnAbs had both medium breadth and potency. Potent and broad responses developed later than previous CD4bs cow bnAbs and required several different immunogens. All isolated bnAbs were derived from the ultralong CDRH3 repertoire. The finding that cow antibodies can target multiple broadly neutralizing epitopes on the HIV surface reveals important insight into the generation of immunogens and testing in the cow animal model. The exclusive isolation of ultralong CDRH3 bnAbs, despite only comprising a small percent of the cow repertoire, suggests these antibodies outcompete the long and short CDRH3 antibodies during the bnAb response. Author Summary The elicitation of epitope-specific broadly neutralizing antibodies is highly desirable for an HIV vaccine as bnAbs can prevent HIV infection in robust animal challenge models and humans, but to date, cows are the only model shown to reliably produce HIV bnAb responses on Envelope (Env) immunization. These responses involve Abs with ultralong CDRH3s and are all directed to a single site, the CD4 binding site. To determine whether this is a unique phenomenon or whether cow antibodies can target further bnAb sites on Env, we employed an immunization protocol that generated cow bnAbs to a second site, the V2-apex. We conclude that ultralong CDRH3s are well adapted to penetrate the glycan shield of HIV Env and recognize conserved regions and may constitute protein units, either in the context of antibodies or in other engineered proteins, that could be deployed as anti-HIV reagents.