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.

Adherens junctions, which play a central role in intercellular adhesion, comprise clusters of type I classical cadherins that bind via extracellular domains extended from opposing cell surfaces. We show that a molecular layer seen in crystal structures of E- and N-cadherin ectodomains reported here and in a previous C-cadherin structure corresponds to the extracellular architecture of adherens junctions. In all three ectodomain crystals, cadherins dimerize through a trans adhesive interface and are connected by a second, cis, interface. Assemblies formed by E-cadherin ectodomains coated on liposomes also appear to adopt this structure. Fluorescent imaging of junctions formed from wild-type and mutant E-cadherins in cultured cells confirm conclusions derived from structural evidence. Mutations that interfere with the trans interface ablate adhesion, whereas cis interface mutations disrupt stable junction formation. Our observations are consistent with a model for junction assembly involving strong trans and weak cis interactions localized in the ectodomain.

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.

Summary Emerging SARS-CoV-2 strains, B.1.1.7 and B.1.351, from the UK and South Africa, respectively show decreased neutralization by monoclonal antibodies and convalescent or vaccinee sera raised against the original wild-type virus, and are thus of clinical concern. However, the neutralization potency of two antibodies, 1-57 and 2-7, which target the receptor-binding domain (RBD) of spike, was unaffected by these emerging strains. Here, we report cryo-EM structures of 1-57 and 2-7 in complex with spike, revealing each of these antibodies to utilize a distinct mechanism to bypass or accommodate RBD mutations. Notably, each antibody represented a response with recognition distinct from those of frequent antibody classes. Moreover, many epitope residues recognized by 1-57 and 2-7 were outside hotspots of evolutionary pressure for both ACE2 binding and neutralizing antibody escape. We suggest the therapeutic use of antibodies like 1-57 and 2-7, which target less prevalent epitopes, could ameliorate issues of monoclonal antibody escape.

SUMMARY Antibodies with heavy chains that derive from the VH1-2 gene constitute some of the most potent SARS-CoV-2-neutralizing antibodies yet identified. To provide insight into whether these genetic similarities inform common modes of recognition, we determined structures of the SARS-CoV-2 spike in complex with three VH1-2-derived antibodies: 2-15, 2-43, and H4. All three utilized VH1-2-encoded motifs to recognize the receptor-binding domain (RBD), with heavy chain N53I enhancing binding and light chain tyrosines recognizing F486 RBD . Despite these similarities, class members bound both RBD-up and -down conformations of the spike, with a subset of antibodies utilizing elongated CDRH3s to recognize glycan N 343 on a neighboring RBD – a quaternary interaction accommodated by an increase in RBD separation of up to 12 Å. The VH1-2-antibody class thus utilizes modular recognition encoded by modular genetic elements to effect potent neutralization, with VH-gene component specifying recognition of RBD and CDRH3 component specifying quaternary interactions. Highlights Determine structures of VH1-2-derived antibodies 2-43, 2-15, and H4 in complex with SARS-CoV-2 spike Define a multi-donor VH1-2-antibody class with modular components for RBD and quaternary recognition Reveal structural basis of RBD-up and RBD-down recognition within the class Show somatic hypermutations and avidity to be critical for potency Delineate changes in spike conformation induced by CDRH3-mediated quaternary recognition

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.

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.

SUMMARY Neurons in the developing brain express many different cell adhesion molecules (CAMs) on their surfaces, and CAM interactions are essential for the determination of synaptic connectivity patterns. CAM binding affinities can vary by more than 200-fold, but the significance of affinity differences among CAMs is unknown. Here we provide a systematic characterization of the in vivo consequences of altering CAM affinity. Interactions between DIP-α and its binding partners Dpr6 and Dpr10 control synaptic targeting and cell survival for Drosophila optic lobe neurons. We generated mutations that change DIP-α::Dpr10 binding affinity and introduced these into the endogenous loci. We show that cell survival and synaptic targeting have different affinity requirements, and that there is a threshold affinity required for targeting. Reducing affinity causes graded loss-of-function phenotypes, while increasing affinity rescues cells that would normally die. Affinity reduction can be compensated for by increasing gene copy number.

Abstract The stochastic expression of fewer than 60 clustered protocadherin (cPcdh) isoforms provides diverse identities to individual vertebrate neurons and a molecular basis for self/non-self- discrimination. cPcdhs form chains mediated by alternating cis and trans interactions between apposed membranes, which has been suggested to signal self-recognition. Such a mechanism requires that cPcdh cis dimers form promiscuously to generate diverse recognition units, and that trans interactions have precise specificity so that isoform mismatches terminate chain growth. However, the extent to which cPcdh interactions fulfill these requirements has not been definitively demonstrated. Here we report biophysical experiments showing that cPcdh cis interactions are promiscuous, but with preferences favoring formation of heterologous cis dimers. Trans -homophilic interactions are remarkably precise, with no evidence for heterophilic interactions between different isoforms. A new C-type cPcdh crystal structure and mutagenesis data help to explain these observations. Overall, the interaction characteristics we report for cPcdhs help explain their function in neuronal self/non-self-discrimination.

Abstract The strength of binding between human angiotensin converting enzyme 2 (ACE2) and the receptor binding domain (RBD) of viral spike protein plays a role in the transmissibility of the SARS-CoV-2 virus. In this study we focus on a subset of RBD mutations that have been frequently observed in infected individuals and probe binding affinity changes to ACE2 using surface plasmon resonance (SPR) measurements and free energy perturbation (FEP) calculations. Our SPR results are largely in accord with previous studies but discrepancies do arise due to differences in experimental methods and to protocol differences even when a single method is used. Overall, we find that FEP performance is superior to that of other computational approaches examined as determined by agreement with experiment and, in particular, by its ability to identify stabilizing mutations. Moreover, the calculations successfully predict the observed cooperative stabilization of binding by the Q498R N501Y double mutant present in Omicron variants and offer a physical explanation for the underlying mechanism. Overall, our results suggest that despite the significant computational cost, FEP calculations may offer an effective strategy to understand the effects of interfacial mutations on protein-protein binding affinities and in practical applications such as the optimization of neutralizing antibodies.