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.

Abstract The Omicron variant (B.1.1.529) of SARS-CoV-2 rapidly becomes dominant globally. Its extensive mutations confer severe efficacy reduction to most of existing antibodies or vaccines. Here, we developed RAMIHM , a highly efficient strategy to generate fully human monoclonal antibodies (mAbs), directly applied it with Omicron-mRNA immunization, and isolated three potent and specific clones against Omicron. Rapid mRNA immunization elicited strong anti-Omicron antibody response in humanized mice, along with broader anti-coronavirus activity. Customized single cell BCR sequencing mapped the clonal repertoires. Top-ranked clones collectively from peripheral blood, plasma B and memory B cell populations showed high rate of Omicron-specificity (93.3%) from RAMIHM-scBCRseq. Clone-screening identified three highly potent neutralizing antibodies that have low nanomolar affinity for Omicron RBD, and low ng/mL level IC50 in neutralization, more potent than majority of currently approved or authorized clinical RBD-targeting mAbs. These lead mAbs are fully human and ready for downstream IND-enabling and/or translational studies.

Abstract Immune evasion is a critical step of cancer progression that remains a major obstacle for current T cell-based immunotherapies. Hence, we seek to genetically reprogram T cells to exploit a common tumor-intrinsic evasion mechanism, whereby cancer cells suppress T cell function by generating a metabolically unfavorable tumor microenvironment (TME). Specifically, we use an in silico screen to identify ADA and PDK1 as metabolic regulators, in which gene overexpression (OE) enhances the cytolysis of CD19-specific CD8 CAR-T cells against cognate leukemia cells, and conversely, ADA or PDK1 deficiency dampens such effect. ADA -OE in CAR-T cells improves cancer cytolysis under high concentrations of adenosine, the ADA substrate and an immunosuppressive metabolite in the TME. High-throughput transcriptomics and metabolomics in these CAR-Ts reveal alterations of global gene expression and metabolic signatures in both ADA- and PDK1- engineered CAR-T cells. Functional and immunological analyses demonstrate that ADA -OE increases proliferation and decreases exhaustion in α-CD19 and α-HER2 CAR-T cells. ADA-OE improves tumor infiltration and clearance by α-HER2 CAR-T cells in an in vivo colorectal cancer model. Collectively, these data unveil systematic knowledge of metabolic reprogramming directly in CAR-T cells, and reveal potential targets for improving CAR-T based cell therapy. Synopsis The authors identify the adenosine deaminase gene (ADA) as a regulatory gene that reprograms T cell metabolism. ADA-overexpression (OE) in α-CD19 and α-HER2 CAR-T cells increases proliferation, cytotoxicity, memory, and decreases exhaustion, and ADA-OE α-HER2 CAR-T cells have enhanced clearance of HT29 human colorectal cancer tumors in vivo .

Abstract Immunotherapy has transformed cancer treatments; however, a large fraction of patients encounter resistance. Such resistance is mediated by complex factors, often involving interactions between multiple genes. Thus, it is crucially important to identify genetic interactions between genes that are significantly mutated in cancer patients and those involved in immune responses, ideally the ones that currently have chemical compounds for direct targeting. To systematically interrogate such genetic interactions that mediate cancer cells’ response to T cell killing, we designed an asymmetric CRISPR/Cas9 dual perturbation library targeting the matched combinations between significantly mutated tumor suppressors and immune resistance genes. We performed a combinatorial double knockout screen on 1,159 gene pairs and identified those where joint loss-of-function renders altered cellular response to T cell cytotoxicity. With individual double knockout constructs we validated these genetic interactions including Jak1-Trp53, Jak1-Kmt2d , and Ifngr1-Kmt2d . Interactions between significantly mutated tumor suppressors and potentially druggable immune resistance genes may offer insights on potential new concepts of how to target clinically relevant cancer mutations with currently available agents. This study also provides a technology platform and an asymmetric CRISPR double knockout library for interrogating genetic interactions between cancer mutations and immune resistance pathways under various settings.

The Omicron variant of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) has high transmissibility and recently swept the globe. Due to the extensive number of mutations, this variant has high level of immune evasion, which drastically reduced the efficacy of existing antibodies and vaccines. Thus, it is important to test an Omicron-specific vaccine, evaluate its immune response against Omicron and other variants, and compare its immunogenicity as boosters with existing vaccine designed against the reference wildtype virus (WT). Here, we generated an Omicron-specific lipid nanoparticle (LNP) mRNA vaccine candidate, and tested its activity in animals, both alone and as a heterologous booster to existing WT mRNA vaccine. Our Omicron-specific LNP-mRNA vaccine elicited strong and specific antibody response in vaccination-naive mice. Mice that received two-dose WT LNP-mRNA, the one mimicking the commonly used Pfizer/Moderna mRNA vaccine, showed a >40-fold reduction in neutralization potency against Omicron variant than that against WT two weeks post second dose, which further reduced to background level >3 months post second dose. As a booster shot for two-dose WT mRNA vaccinated mice, a single dose of either a homologous booster with WT LNP-mRNA or a heterologous booster with Omicron LNP-mRNA restored the waning antibody response against Omicron, with over 40-fold increase at two weeks post injection as compared to right before booster. Interestingly, the heterologous Omicron LNP-mRNA booster elicited neutralizing titers 10-20 fold higher than the homologous WT booster against the Omicron variant, with comparable titers against the Delta variant. All three types of vaccination, including Omicron mRNA alone, WT mRNA homologous booster, and Omicron heterologous booster, elicited broad binding antibody responses against SARS-CoV-2 WA-1, Beta, and Delta variants, as well as other Betacoronavirus species such as SARS-CoV, but not Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV). These data provided direct proof-of-concept assessments of an Omicron-specific mRNA vaccination in vivo, both alone and as a heterologous booster to the existing widely-used WT mRNA vaccine form.

Adoptive cell therapy has shown clinical success in patients with hematological malignancies. Immune cell engineering is critical for production, research, and development of cell therapy; however, current approaches for generation of therapeutic immune cells face various limitations. Here, we establish a composite gene delivery system for the highly efficient engineering of therapeutic immune cells. This system, termed MAJESTIC ( m RNA A AV-Sleeping-Beauty J oint E ngineering of S table T herapeutic I mmune C ells), combines the merits of mRNA, AAV vector, and transposon into one composite system. In MAJESTIC, the transient mRNA component encodes a transposase that mediates permanent genomic integration of the Sleeping Beauty (SB) transposon, which carries the gene-of-interest and is embedded within the AAV vector. This system can transduce diverse immune cell types with low cellular toxicity and achieve highly efficient and stable therapeutic cargo delivery. Compared with conventional gene delivery systems, such as lentiviral vector, DNA transposon plasmid, or minicircle electroporation, MAJESTIC shows higher cell viability, chimeric antigen receptor (CAR) transgene expression, therapeutic cell yield, as well as prolonged transgene expression. CAR-T cells generated by MAJESTIC are functional and have strong anti-tumor activity in vivo . This system also demonstrates versatility for engineering different cell therapy constructs such as canonical CAR, bi-specific CAR, kill switch CAR, and synthetic TCR; and for CAR delivery into various immune cells, including T cells, natural killer cells, myeloid cells, and induced pluripotent stem cells.