Numerous antibodies that neutralize SARS-CoV-2 have been identified, and these generally target either the receptor-binding domain (RBD) or the N-terminal domain (NTD) of the viral spike. While RBD-directed antibodies have been extensively studied, far less is known about NTD-directed antibodies. Here, we report cryo-EM and crystal structures for seven potent NTD-directed neutralizing antibodies in complex with spike or isolated NTD. These structures defined several antibody classes, with at least one observed in multiple convalescent donors. The structures revealed that all seven antibodies target a common surface, bordered by glycans N17, N74, N122, and N149. This site—formed primarily by a mobile β-hairpin and several flexible loops—was highly electropositive, located at the periphery of the spike, and the largest glycan-free surface of NTD facing away from the viral membrane. Thus, in contrast to neutralizing RBD-directed antibodies that recognize multiple non-overlapping epitopes, potent NTD-directed neutralizing antibodies appear to target a single supersite.

The classical method of measuring binding constants with affinity-based biosensors involves testing several analyte concentrations over the same ligand surface and regenerating the surface between binding cycles. Here we describe an alternative approach to collecting kinetic binding data, which we call "kinetic titration." This method involves sequentially injecting an analyte concentration series without any regeneration steps. Through a combination of simulation and experimentation, we show that this method can be as robust as the classical method of analysis. In addition, kinetic titrations can be more efficient than the conventional data collection method and allow us to fully characterize analyte binding to ligand surfaces that are difficult to regenerate.

The SARS-CoV-2 spike employs mobile receptor-binding domains (RBDs) to engage the human ACE2 receptor and to facilitate virus entry, which can occur through low-pH-endosomal pathways. To understand how ACE2 binding and low pH affect spike conformation, we determined cryo-electron microscopy structures—at serological and endosomal pH—delineating spike recognition of up to three ACE2 molecules. RBDs freely adopted "up" conformations required for ACE2 interaction, primarily through RBD movement combined with smaller alterations in neighboring domains. In the absence of ACE2, single-RBD-up conformations dominated at pH 5.5, resolving into a solitary all-down conformation at lower pH. Notably, a pH-dependent refolding region (residues 824–858) at the spike-interdomain interface displayed dramatic structural rearrangements and mediated RBD positioning through coordinated movements of the entire trimer apex. These structures provide a foundation for understanding prefusion-spike mechanics governing endosomal entry; we suggest that the low pH all-down conformation potentially facilitates immune evasion from RBD-up binding antibody.

Understanding protective mechanisms of antibody recognition can inform vaccine and therapeutic strategies against SARS-CoV-2. We discovered a new antibody, 910-30, that targets the SARS-CoV-2 ACE2 receptor binding site as a member of a public antibody response encoded by IGHV3-53/IGHV3-66 genes. We performed sequence and structural analyses to explore how antibody features correlate with SARS-CoV-2 neutralization. Cryo-EM structures of 910-30 bound to the SARS-CoV-2 spike trimer revealed its binding interactions and ability to disassemble spike. Despite heavy chain sequence similarity, biophysical analyses of IGHV3-53/3-66 antibodies highlighted the importance of native heavy:light pairings for ACE2 binding competition and for SARS-CoV-2 neutralization. We defined paired heavy:light sequence signatures and determined antibody precursor prevalence to be ~1 in 44,000 human B cells, consistent with public antibody identification in several convalescent COVID-19 patients. These data reveal key structural and functional neutralization features in the IGHV3-53/3-66 public antibody class to accelerate antibody-based medical interventions against SARS-CoV-2.A molecular study of IGHV3-53/3-66 public antibody responses reveals critical heavy and light chain features for potent neutralizationCryo-EM analyses detail the structure of a novel public antibody class member, antibody 910-30, in complex with SARS-CoV-2 spike trimerCryo-EM data reveal that 910-30 can both bind assembled trimer and can disassemble the SARS-CoV-2 spikeSequence-structure-function signatures defined for IGHV3-53/3-66 class antibodies including both heavy and light chainsIGHV3-53/3-66 class precursors have a prevalence of 1:44,000 B cells in healthy human antibody repertoires.

Summary Numerous antibodies that neutralize SARS-CoV-2 have been identified, and these generally target either the receptor-binding domain (RBD) or the N-terminal domain (NTD) of the viral spike. While RBD-directed antibodies have been extensively studied, far less is known about NTD-directed antibodies. Here we report cryo-EM and crystal structures for seven potent NTD-directed neutralizing antibodies in complex with spike or isolated NTD. These structures defined several antibody classes, with at least one observed in multiple convalescent donors. The structures revealed all seven antibodies to target a common surface, bordered by glycans N 17, N 74, N 122, and N 149. This site – formed primarily by a mobile β-hairpin and several flexible loops – was highly electropositive, located at the periphery of the spike, and the largest glycan-free surface of NTD facing away from the viral membrane. Thus, in contrast to neutralizing RBD-directed antibodies that recognize multiple non-overlapping epitopes, potent NTD-directed neutralizing antibodies target a single supersite.

Biotin-labeled molecular probes, comprising specific regions of the SARS-CoV-2 spike, would be helpful in the isolation and characterization of antibodies targeting this recently emerged pathogen. To develop such probes, we designed constructs incorporating an N-terminal purification tag, a site-specific protease-cleavage site, the probe region of interest, and a C-terminal sequence targeted by biotin ligase. Probe regions included full-length spike ectodomain as well as various subregions, and we also designed mutants to eliminate recognition of the ACE2 receptor. Yields of biotin-labeled probes from transient transfection ranged from ~0.5 mg/L for the complete ectodomain to >5 mg/L for several subregions. Probes were characterized for antigenicity and ACE2 recognition, and the structure of the spike ectodomain probe was determined by cryo-electron microscopy. We also characterized antibody-binding specificities and cell-sorting capabilities of the biotinylated probes. Altogether, structure-based design coupled to efficient purification and biotinylation processes can thus enable streamlined development of SARS-CoV-2 spike-ectodomain probes.

Antibodies that potently neutralize SARS-CoV-2 target mainly the receptor-binding domain or the N-terminal domain (NTD). Over a dozen potently neutralizing NTD-directed antibodies have been studied structurally, and all target a single antigenic supersite in NTD (site 1). Here we report the 3.7 Å resolution cryo-EM structure of a potent NTD-directed neutralizing antibody 5-7, which recognizes a site distinct from other potently neutralizing antibodies, inserting a binding loop into an exposed hydrophobic pocket between the two sheets of the NTD β-sandwich. Interestingly, this pocket has been previously identified as the binding site for hydrophobic molecules including heme metabolites, but we observe their presence to not substantially impede 5-7 recognition. Mirroring its distinctive binding, antibody 5-7 retains a distinctive neutralization potency with variants of concern (VOC). Overall, we reveal a hydrophobic pocket in NTD proposed for immune evasion can actually be used by the immune system for recognition.Cryo-EM structure of neutralizing antibody 5-7 in complex with SARS CoV-2 spike5-7 recognizes NTD outside of the previously identified antigenic supersite5-7 binds to a site known to accommodate numerous hydrophobic ligandsStructural basis of 5-7 neutralization tolerance to some variants of concern.

Abstract The recently dominant SARS-CoV-2 Omicron JN.1 has evolved into multiple sublineages, with recurrent spike mutations R346T, F456L, and T572I, some of which exhibit growth advantages, such as KP.2. We investigated these mutations in JN.1, examining their individual and combined effects on immune evasion, ACE2 receptor affinity, and in vitro infectivity. F456L increased resistance to neutralization by human sera, including those after JN.1 breakthrough infections, and by RBD class-1 monoclonal antibodies, significantly altering JN.1 antigenicity. R346T enhanced ACE2-binding affinity, without a discernible effect on serum neutralization. Individually, R346T and T572I modestly enhanced infectivity of each pseudovirus. Importantly, expanding sublineages such as KP.2 containing R346T, F456L, and V1104L, showed similar neutralization resistance as JN.1 with R346T and F456L, suggesting V1104L does not appreciably affect antibody evasion. Our findings illustrate how certain JN.1 mutations confer growth advantages in the population and could inform the design of the next COVID-19 vaccine booster.

Computational free energy-based methods have the potential to significantly improve throughput and decrease costs of protein design efforts. Such methods must reach a high level of reliability, accuracy, and automation to be effectively deployed in practical industrial settings in a way that impacts protein design projects. Here, we present a benchmark study for the calculation of relative changes in protein-protein binding affinity for single point mutations across a variety of systems from the literature, using free energy perturbation (FEP+) calculations. We describe a method for robust treatment of alternate protonation states for titratable amino acids, which yields improved correlation with and reduced error compared to experimental binding free energies. Following careful analysis of the largest outlier cases in our dataset, we assess limitations of the default FEP+ protocols and introduce an automated script which identifies probable outlier cases that may require additional scrutiny and calculates an empirical correction for a subset of charge-related outliers. Through a series of three additional case study systems, we discuss how Protein FEP+ can be applied to real-world protein design projects, and suggest areas of further study.

The SARS-CoV-2 spike employs mobile receptor-binding domains (RBDs) to engage the ACE2 receptor and to facilitate virus entry. Antibodies can engage RBD but some, such as CR3022, fail to inhibit entry despite nanomolar spike affinity. Here we show the SARS-CoV-2 spike to have low unfolding enthalpy at serological pH and up to 10-times more unfolding enthalpy at endosomal pH, where we observe significantly reduced CR3022 affinity. Cryo-EM structures -at serological and endosomal pH- delineated spike recognition of up to three ACE2 molecules, revealing RBD to freely adopt the 'up' conformation. In the absence of ACE2, single-RBD-up conformations dominated at pH 5.5, resolving into a locked all-down conformation at lower pH. Notably, a pH-dependent refolding region (residues 824-858) at the spike-interdomain interface displayed dramatic structural rearrangements and mediated RBD positioning and spike shedding of antibodies like CR3022. An endosomal mechanism involving spike-conformational change can thus facilitate immune evasion from RBD-'up'-recognizing antibody.