Abstract mRNA-based vaccines provide effective protection against most common SARS-CoV-2 variants. However, identifying likely breakthrough variants is critical for future vaccine development. Here, we found that the Delta variant completely escaped from anti-N-terminal domain (NTD) neutralizing antibodies, while increasing responsiveness to anti-NTD infectivity-enhancing antibodies. Although Pfizer-BioNTech BNT162b2-immune sera neutralized the Delta variant, when four common mutations were introduced into the receptor binding domain (RBD) of the Delta variant (Delta 4+), some BNT162b2-immune sera lost neutralizing activity and enhanced the infectivity. Unique mutations in the Delta NTD were involved in the enhanced infectivity by the BNT162b2-immune sera. Sera of mice immunized by Delta spike, but not wild-type spike, consistently neutralized the Delta 4+ variant without enhancing infectivity. Given the fact that a Delta variant with three similar RBD mutations has already emerged according to the GISAID database, it is necessary to develop vaccines that protect against such complete breakthrough variants.

Abstract SARS-CoV-2 infection causes severe symptoms in a subset of patients, suggesting the presence of certain unknown risk factors. Although antibodies against the receptor-binding domain (RBD) of the SARS-CoV-2 spike have been shown prevent SARS-CoV-2 infection, the effects of antibodies against other spike protein domains are largely unknown. Here, we screened a series of anti-spike monoclonal antibodies from COVID-19 patients, and found that some of antibodies against the N-terminal domain (NTD) dramatically enhanced the binding capacity of the spike protein to ACE2, and thus increased SARS-CoV2 infectivity. Surprisingly, mutational analysis revealed that all the infectivity-enhancing antibodies recognized a specific site on the surface of the NTD. The antibodies against this infectivity-enhancing site were detected in all samples of hospitalized COVID-19 patients in the study. However, the ratio of infectivity-enhancing antibodies to neutralizing antibodies differed among patients. Furthermore, the antibodies against the infectivity-enhancing site were detected in 3 out of 48 uninfected donors, albeit at low levels. These findings suggest that the production of antibodies against SARS-CoV-2 infectivity-enhancing site could be considered as a possible exacerbating factors for COVID-19 and that a spike protein lacking such antibody epitopes may be required for safe vaccine development, especially for individuals with pre-existing enhancing antibodies.

Abstract ICE KKS102 Tn 4677 , which has been shown to transfer horizontally, carries bph operon for mineralization of PCBs/biphenyl and belongs to an ICE Tn 4371 family. In this study we investigated the role of traR gene encoding a LysR-type transcriptional regulator, which is conserved in sequence, positioning, and directional orientation among Tn 4371 family ICEs. The traR belonged to bph operon and its overexpression on solid medium resulted in modest upregulation of traG (3-fold) and marked upregulation of xis (80-fold), and enhanced ICE excision, and notably ICE transfer frequency. We propose the evolutional roles of traR , which upon insertion to the current position, connected the cargo gene activation and ICE-transfer. This property of ICE, transferring under environmental conditions that lead to cargo gene activation, would give fitness advantages to the host bacteria, thereby resulting in efficient dissemination of the Tn 4371 family ICEs. Significance Only ICE KKS102 Tn 4677 is proven to transfer among the widely disseminating Tn 4371 family ICEs from β and γ-proteobacteria. We showed that the traR gene in ICE KKS102 Tn 4677 conserved in the ICE family with fixed location and direction is co-transcribed with the cargo gene and activates ICE transfer. We propose that capturing of traR by an ancestral ICE to the current position established ICE Tn 4371 family ICEs. Our findings provide insights into the evolutionary processes that led to the widespread distribution of the Tn 4371 family of ICEs across bacterial species.

Bacterial type IV secretion systems (T4SSs) are highly versatile macromolecular translocators and offer great potential for deployment as delivery systems for therapeutic intervention. One major T4SS subfamily, the conjugation machines, are well-adapted for delivery of DNA cargoes of interest to other bacteria or eukaryotic cells, but generally exhibit modest transfer frequencies and lack specificity for target cells. Here, we tested the efficacy of a surface-displayed nanobody/antigen (Nb/Ag) pairing system to enhance the conjugative transfer of IncN (pKM101), IncF (F/pOX38), or IncP (RP4) plasmids, or of mobilizable plasmids including those encoding CRISPR/Cas9 systems (pCrispr), to targeted recipient cells. Escherichia coli donors displaying Nb's transferred plasmids to E. coli and Pseudomonas aeruginosa recipients displaying the cognate Ag's at significantly higher frequencies than to recipients lacking Ag's. Nb/Ag pairing functionally substituted for the surface adhesin activities of F-encoded TraN and pKM101-encoded Pep, although not conjugative pili or VirB5-like adhesins. Nb/Ag pairing further elevated the killing effects accompanying delivery of pCrispr plasmids to E. coli and P. aeruginosa transconjugants bearing CRISPR/Cas9 target sequences. Finally, we determined that anucleate E. coli minicells, which are clinically safer delivery vectors than intact cells, transferred self-transmissible and mobilizable plasmids to E. coli and P. aeruginosa cells. Minicell-mediated mobilization of pCrispr plasmids to E. coli recipients elicited significant killing of transconjugants, although Nb/Ag pairing did not enhance conjugation frequencies or killing. Together, our findings establish the potential for deployment of bacteria or minicells as Programmed Delivery Systems (PDSs) for suppression of targeted bacterial species in infection settings.The rapid emergence of drug-resistant bacteria and current low rate of antibiotic discovery emphasize an urgent need for alternative antibacterial strategies. We engineered Escherichia coli to conjugatively transfer plasmids to specific E. coli and Pseudomonas aeruginosa recipient cells through surface display of cognate nanobody/antigen (Nb/Ag) pairs. We further engineered mobilizable plasmids to carry CRISPR/Cas9 systems (pCrispr) for selective killing of recipient cells harboring CRISPR/Cas9 target sequences. In the assembled Programmed Delivery System (PDS), Nb-displaying E. coli donors with different conjugation systems and mobilizable pCrispr plasmids suppressed growth of Ag-displaying recipient cells to significantly greater extents than unpaired recipients. We also showed that anucleate minicells armed with conjugation machines and pCrispr plasmids were highly effective in killing of E. coli recipients. Together, our findings suggest that bacteria or minicells armed with PDSs may prove highly effective as an adjunct or alternative to antibiotics for antimicrobial intervention.

Bacterial type IV secretion systems (T4SSs) are a versatile family of macromolecular translocators, collectively able to recruit diverse DNA and protein substrates and deliver them to a wide range of cell types. Presently, there is little understanding of how T4SSs recognize substrate repertoires and form productive contacts with specific target cells. Although T4SSs are composed of a number of conserved subunits and adopt certain conserved structural features, they also display considerable compositional and structural diversity. Here, we explored the structural bases underlying the functional versatility of T4SSs through systematic deletion and subunit swapping between two conjugation systems encoded by the distantly-related IncF plasmids, pED208 and F. We identified several regions of intrinsic flexibility among the encoded T4SSs, as evidenced by partial or complete functionality of chimeric machines. Swapping of VirD4-like TraD type IV coupling proteins (T4CPs) yielded functional chimeras, indicative of relaxed specificity at the substrate - TraD and TraD - T4SS interfaces. Through mutational analyses, we further delineated domains of the TraD T4CPs contributing to recruitment of cognate vs heterologous DNA substrates. Remarkably, swaps of components comprising the outer membrane core complexes, a few F-specific subunits, or the TraA pilins supported DNA transfer in the absence of detectable pilus production. Among sequenced enterobacterial species in the NCBI database, we identified many strains that harbor two or more F-like plasmids and many F plasmids lacking one or more T4SS components required for self-transfer. We confirmed that host cells carrying co-resident, non-selftransmissible variants of pED208 and F elaborate chimeric T4SSs, as evidenced by transmission of both plasmids. We propose that T4SS plasticity enables the facile assembly of functional chimeras, and this intrinsic flexibility at the structural level can account for functional diversification of this superfamily over evolutionary time and, on a more immediate time-scale, to proliferation of transfer-defective MGEs in nature.