ABSTRACT Investigation of potential hosts of the severe acute respiratory syndrome coronavirus-2 (SARS-CoV-2) is crucial to understanding future risks of spillover and spillback. SARS-CoV-2 has been reported to be transmitted from humans to various animals after requiring relatively few mutations.[1] There is significant interest in describing how the virus interacts with mice as they are well adapted to human environments, are used widely as infection models and can be infected.[2] Structural and binding data of the mouse ACE2 receptor with the Spike protein of newly identified SARS-CoV-2 variants are needed to better understand the impact of immune system evading mutations present in variants of concern (VOC). Previous studies have developed mouse-adapted variants and identified residues critical for binding to heterologous ACE2 receptors.[3,4] Here we report the cryo-EM structures of mouse ACE2 bound to trimeric Spike ectodomains of four different VOC: Beta, Omicron BA.1, Omicron BA.2.12.1 and Omicron BA.4/5. These variants represent the oldest to the newest variants known to bind the mouse ACE2 receptor. Our high-resolution structural data complemented with bio-layer interferometry (BLI) binding assays reveal a requirement for a combination of mutations in the Spike protein that enable binding to the mouse ACE2 receptor. AUTHOR SUMMARY The SARS-CoV-2 virus can infect different types of animals beyond humans. The virus uses its Spike protein on its surface to bind to cells. These cells have a protein called ACE2 that the Spike protein recognizes. Animals have slightly different ACE2 receptors compared to humans. Mice are widely used as a research animal and live in the same environments as humans so scientists are particularly interested. Understanding how Spike proteins binds to the mouse ACE2 receptor allows us to understand the impact of immune evading mutations found in new variants. We use a high resolution imaging technique called cryo-electron microscopy to look at how different Spike variants bind to the ACE2 receptor from mouse at a resolution where we can see the amino acids. We can see directly the individual amino acids and mutations on the Spike protein that interact with the mouse ACE2 receptor. Many of the mutations found in variants of concern also increase the strength of binding to the mouse ACE2 receptor. This result suggests that mutations in the Spike protein of future variants may have an additional effect in influencing how it binds to not only human ACE2 receptors but to mice and also different animals.

Abstract Effective and safe vaccines against SARS-CoV-2 are highly desirable to prevent casualties and societal cost caused by Covid-19 pandemic. The receptor binding domain (RBD) of the surface-exposed spike protein of SARS-CoV-2 represents a suitable target for the induction of neutralizing antibodies upon vaccination. Small protein antigens typically induce weak immune response while particles measuring tens of nanometers are efficiently presented to B cell follicles and subsequently to follicular germinal center B cells in draining lymph nodes, where B cell proliferation and affinity maturation occurs. Here we prepared and analyzed the response to several DNA vaccines based on genetic fusions of RBD to four different scaffolding domains, namely to the foldon peptide, ferritin, lumazine synthase and β-annulus peptide, presenting from 6 to 60 copies of the RBD on each particle. Scaffolding strongly augmented the immune response with production of neutralizing antibodies and T cell response including cytotoxic lymphocytes in mice upon immunization with DNA plasmids. The most potent response was observed for the 24-residue β-annulus peptide scaffold that forms large soluble assemblies, that has the advantage of low immunogenicity in comparison to larger scaffolds. Our results support the advancement of this vaccine platform towards clinical trials.

Abstract The SARS-CoV-2 Omicron variant exhibits very high levels of transmission, pronounced resistance to authorized therapeutic human monoclonal antibodies and reduced sensitivity to vaccine-induced immunity. Here we describe P2G3, a human monoclonal antibody (mAb) isolated from a previously infected and vaccinated donor, which displays picomolar-range neutralizing activity against Omicron BA.1, BA.1.1, BA.2 and all other current variants, and is thus markedly more potent than all authorized or clinically advanced anti-SARS-CoV-2 mAbs. Structural characterization of P2G3 Fab in complex with the Omicron Spike demonstrates unique binding properties to both down and up spike trimer conformations at an epitope that partially overlaps with the receptor-binding domain (RBD), yet is distinct from those bound by all other characterized mAbs. This distinct epitope and angle of attack allows P2G3 to overcome all the Omicron mutations abolishing or impairing neutralization by other anti-SARS-COV-2 mAbs, and P2G3 accordingly confers complete prophylactic protection in the SARS-CoV-2 Omicron monkey challenge model. Finally, although we could isolate in vitro SARS-CoV2 mutants escaping neutralization by P2G3 or by P5C3, a previously described broadly active Class 1 mAb, we found these viruses to be lowly infectious and their key mutations extremely rare in the wild, and we could demonstrate that P2G3/P5C3 efficiently cross-neutralized one another’s escapees. We conclude that this combination of mAbs has great prospects in both the prophylactic and therapeutic settings to protect from Omicron and other VOCs.

Abstract The human membrane protein Angiotensin-converting enzyme 2 (hACE2) acts as the main receptor for host cells invasion of the new coronavirus SARS-CoV-2. The viral surface glycoprotein Spike binds to hACE2, which triggers virus entry into cells. As of today, the role of hACE2 for virus fusion is not well understood. Blocking the transition of Spike from its prefusion to post-fusion state might be a strategy to prevent or treat COVID-19. Here we report a single particle cryo-electron microscopy analysis of SARS-CoV-2 trimeric Spike in presence of the human ACE2 ectodomain. The binding of purified hACE2 ectodomain to Spike induces the disassembly of the trimeric form of Spike and a structural rearrangement of its S1 domain to form a stable, monomeric complex with hACE2. This observed hACE2 dependent dissociation of the Spike trimer suggests a mechanism for the therapeutic role of recombinant soluble hACE2 for treatment of COVID-19.

Abstract We tested 10 recombinant antibodies directed against the spike S protein from SARS-CoV-1. Among them, antibodies AI334 and AQ806 detect by ELISA the spike S protein from SARS-CoV-2.

Abstract The rapid evolution of SARS-CoV-2 to variants with improved transmission efficiency and reduced sensitivity to vaccine-induced humoral immunity has abolished the protective effect of licensed therapeutic human monoclonal antibodies (mAbs). To fill this unmet medical need and protect vulnerable patient populations, we isolated the P4J15 mAb from a previously infected, vaccinated donor, with <20 ng/ml neutralizing activity against all Omicron variants including the latest XBB.2.3 and EG.1 sub-lineages. Structural studies of P4J15 in complex with Omicron XBB.1 Spike show that the P4J15 epitope shares ∼93% of its buried surface area with the ACE2 contact region, consistent with an ACE2 mimetic antibody. Although SARS-CoV-2 mutants escaping neutralization by P4J15 were selected in vitro , these displayed lower infectivity, poor binding to ACE2, and the corresponding ‘escape’ mutations are accordingly rare in public sequence databases. Using a SARS-CoV-2 XBB.1.5 monkey challenge model, we show that P4J15 confers complete prophylactic protection. We conclude that the P4J15 mAb has potential as a broad-spectrum anti-SARS-CoV-2 drug.

ABSTRACT Many biochemical reactions occur at the membrane interfaces. The proper control of these reactions requires spatially and temporally controlled recruitment of protein complexes. These assemblies are largely regulated by post-translational modifications and a frequent one is S-acylation, which consists of the addition of medium length acyl chains. Reversibility of this modification is ensured by acyl protein thioesterases (APTs), which are poorly understood enzymes. Using a combination of computational, structural, biochemical, and cellular approaches, we dissect the mode of action of a major cellular thioesterase, APT2 (LYPLA2). We show that for APT2 to encounter its targets, it must interact with membranes by two consecutive steps, the insertion of a hydrophobic loop and subsequent S-acylation by the ZDHHC3 or ZDHHC7 palmitoyltransferases. Once bound, APT2 deforms the lipid bilayer to extract the acyl chain bound to its substrate, capturing it in a hydrophobic pocket and allowing hydrolysis. Deacylation releases APT2, allowing it to bind to other membranes, but also renders it vulnerable to ubiquitination and proteasomal degradation. This molecular understanding of APT2 paves the way to understand the dynamics of APT2-mediated depalmitoylation throughout the endomembrane system.

ABSTRACT Investigation of potential hosts of the severe acute respiratory syndrome coronavirus-2 (SARS-CoV-2) is crucial to understanding future risks of spillover and spillback. SARS-CoV-2 has been reported to be transmitted from humans to various animals after requiring relatively few mutations. 1 Mice are well adapted to human environments, frequently come in contact with humans, are used widely as infection models, and may act as reservoirs for SARS-CoV-2. 2 Structural and binding data of the mouse ACE2 receptor with the Spike protein of newly identified SARS-CoV-2 variants are needed to better understand the impact of variants of concern (VOC). Previous studies have developed mouse-adapted variants and have identified some determinants of binding. 3,4 Here we report the cryo-EM structures of mouse ACE2 bound to Spike ectodomains of four different VOC: Beta, Omicron BA.1, Omicron BA.2.12.1 and Omicron BA.4/5. These variants represent the oldest to the newest variants that are able to bind the mouse ACE2 receptor. Our high-resolution structural data complemented with bio-layer interferometry (BLI) binding assays reveal a requirement for a combination of mutations in the Spike protein to enable the binding to mouse ACE2.