COVID-19 pathogen SARS-CoV-2 has infected hundreds of millions and caused over 5 million deaths to date. Although multiple vaccines are available, breakthrough infections occur especially by emerging variants. Effective therapeutic options such as monoclonal antibodies (mAbs) are still critical. Here, we report the development, cryo-EM structures, and functional analyses of mAbs that potently neutralize SARS-CoV-2 variants of concern. By high-throughput single cell sequencing of B cells from spike receptor binding domain (RBD) immunized animals, we identified two highly potent SARS-CoV-2 neutralizing mAb clones that have single-digit nanomolar affinity and low-picomolar avidity, and generated a bispecific antibody. Lead antibodies showed strong inhibitory activity against historical SARS-CoV-2 and several emerging variants of concern. We solved several cryo-EM structures at ∼3 Å resolution of these neutralizing antibodies in complex with prefusion spike trimer ectodomain, and revealed distinct epitopes, binding patterns, and conformations. The lead clones also showed potent efficacy in vivo against authentic SARS-CoV-2 in both prophylactic and therapeutic settings. We also generated and characterized a humanized antibody to facilitate translation and drug development. The humanized clone also has strong potency against both the original virus and the B.1.617.2 Delta variant. These mAbs expand the repertoire of therapeutics against SARS-CoV-2 and emerging variants.

Increasing evidence has suggested that the HIV-1 capsid enters the nucleus in a largely assembled, intact form. However, not much is known about how the cone-shaped capsid interacts with the nucleoporins (NUPs) in the nuclear pore for crossing the nuclear pore complex. Here, we elucidate how NUP153 binds HIV-1 capsid by engaging the assembled capsid protein (CA) lattice. A bipartite motif containing both canonical and noncanonical interaction modules was identified at the C-terminal tail region of NUP153. The canonical cargo-targeting phenylalanine-glycine (FG) motif engaged the CA hexamer. By contrast, a previously unidentified triple-arginine (RRR) motif in NUP153 targeted HIV-1 capsid at the CA tri-hexamer interface in the capsid. HIV-1 infection studies indicated that both FG- and RRR-motifs were important for the nuclear import of HIV-1 cores. Moreover, the presence of NUP153 stabilized tubular CA assemblies in vitro. Our results provide molecular-level mechanistic evidence that NUP153 contributes to the entry of the intact capsid into the nucleus.

Summary The capsid of human immunodeficiency virus 1 (HIV-1) plays a pivotal role in viral nuclear import, but the mechanism by which the viral core passages the nuclear pore complex (NPC) is poorly understood. Here, we use DNA-origami mimics of the NPC, termed NuPODs (NucleoPorins Organized by DNA), to reveal the mechanistic underpinnings of HIV-1 capsid nuclear entry. We found that trimeric interface formed via three capsid protein hexamers is targeted by a triple-arginine (RRR) motif but not the canonical phenylalanine-glycine (FG) motif of NUP153. As NUP153 is located on the nuclear face of the NPC, this result implies that the assembled capsid must cross the NPC in vivo . This hypothesis is corroborated by our observations of tubular capsid assemblies penetrating through NUP153 NuPODs. NUP153 prefers to bind highly curved capsid assemblies including those found at the tips of viral cores, thereby facilitating capsid insertion into the NPC. Furthermore, a balance of capsid stabilization by NUP153 and deformation by CPSF6, along with other cellular factors, may allow for the intact capsid to pass NPCs of various sizes. The NuPOD system serves as a unique tool for unraveling the previously elusive mechanisms of nuclear import of HIV-1 and other viruses.