Abstract Natural evolution must explore a vast landscape of possible sequences for desirable yet rare mutations, suggesting that learning from natural evolutionary strategies could accelerate artificial evolution. Here, we report that deep learning algorithms known as protein language models can evolve human antibodies with high efficiency, despite providing the models with no information about the target antigen, binding specificity, or protein structure, and also requiring no additional task-specific finetuning or supervision. We performed language-model-guided affinity maturation of seven diverse antibodies, screening 20 or fewer variants of each antibody across only two rounds of evolution. Our evolutionary campaigns improved the binding affinities of four clinically relevant antibodies up to 7-fold and three unmatured antibodies up to 160-fold across diverse viral antigens, with many designs also demonstrating improved thermostability and viral neutralization activity. Notably, our algorithm requires only a single wildtype sequence and computes recommended amino acid changes in less than a second. Moreover, the same models that improve antibody binding also guide efficient evolution across diverse protein families and selection pressures, indicating that these results generalize to many natural settings. Contrary to prevailing notions of evolution as difficult and resource-intensive, our results suggest that when constrained to a narrow manifold of evolutionary plausibility, evolution can become much easier, which we refer to as the “efficient manifold hypothesis.”

Abstract Development of a safe and effective SARS-CoV-2 vaccine is a public health priority. We designed subunit vaccine candidates using self-assembling ferritin nanoparticles displaying one of two multimerized SARS-CoV-2 spikes: full-length ectodomain (S-Fer) or a C-terminal 70 amino-acid deletion (SΔC-Fer). Ferritin is an attractive nanoparticle platform for production of vaccines and ferritin-based vaccines have been investigated in humans in two separate clinical trials. We confirmed proper folding and antigenicity of spike on the surface of ferritin by cryo-EM and binding to conformation-specific monoclonal antibodies. After a single immunization of mice with either of the two spike ferritin particles, a lentiviral SARS-CoV-2 pseudovirus assay revealed mean neutralizing antibody titers at least 2-fold greater than those in convalescent plasma from COVID-19 patients. Additionally, a single dose of SΔC-Fer elicited significantly higher neutralizing responses as compared to immunization with the spike receptor binding domain (RBD) monomer or spike ectodomain trimer alone. After a second dose, mice immunized with SΔC-Fer exhibited higher neutralizing titers than all other groups. Taken together, these results demonstrate that multivalent presentation of SARS-CoV-2 spike on ferritin can notably enhance elicitation of neutralizing antibodies, thus constituting a viable strategy for single-dose vaccination against COVID-19.

ABSTRACT A major challenge in vaccine development, especially against rapidly evolving viruses, is the ability to focus the immune response toward evolutionarily conserved antigenic regions to confer broad protection. For example, while many broadly neutralizing antibodies against influenza have been found to target the highly conserved stem region of hemagglutinin (HA-stem), the immune response to seasonal influenza vaccines is predominantly directed to the immunodominant but variable head region (HA-head), leading to narrow-spectrum efficacy. Here, we first introduce an approach to controlling antigen orientation based on the site-specific insertion of short stretches of aspartate residues (oligoD) that facilitates antigen-binding to alum adjuvants. We demonstrate the generalizability of this approach to antigens from the Ebola virus, SARS-CoV-2, and influenza and observe enhanced antibody responses following immunization in all cases. Next, we use this approach to reorient HA in an “upside down” configuration, which we envision increases HA-stem exposure, therefore also improving its immunogenicity compared to HA-head. When applied to HA of H2N2 A/Japan/305/1957, the reoriented H2 HA (reoH2HA) on alum induced a stem-directed antibody response that cross-reacted with both group 1 and 2 influenza A HAs. Our results demonstrate the possibility and benefits of antigen reorientation via oligoD insertion, which represents a generalizable immunofocusing approach readily applicable for designing epitope-focused vaccine candidates. GRAPHICAL ABSTRACT Seasonal influenza vaccines induce a biased antibody response against the variable head of hemagglutinin, whereas conserved epitopes on the stem are a target for universal vaccines. Here we show that reorienting HA in an “upside-down” configuration sterically occludes the head and redirects the antibody response to the more exposed stem, thereby inducing broad cross-reactivity against hemagglutinins from diverse influenza strains.

While the rapid development of COVID-19 vaccines has been a scientific triumph, the need remains for a globally available vaccine that provides longer-lasting immunity against present and future SARS-CoV-2 variants of concern (VOCs). Here, we describe DCFHP, a ferritin-based, protein-nanoparticle vaccine candidate that, when formulated with aluminum hydroxide as the sole adjuvant (DCFHP-alum), elicits potent and durable neutralizing antisera in non-human primates against known VOCs, including Omicron BQ.1, as well as against SARS-CoV-1. Following a booster âˆ¼one year after the initial immunization, DCFHP-alum elicits a robust anamnestic response. To enable global accessibility, we generated a cell line that can enable production of thousands of vaccine doses per liter of cell culture and show that DCFHP-alum maintains potency for at least 14 days at temperatures exceeding standard room temperature. DCFHP-alum has potential as a once-yearly booster vaccine, and as a primary vaccine for pediatric use including in infants.

Abstract Tmem95 encodes a sperm acrosomal membrane protein, whose knockout has a male-specific sterility phenotype in mice. How TMEM95 plays a role in membrane fusion of sperm and eggs has remained elusive. Here, we utilize a sperm penetration assay as a model system to investigate the function of human TMEM95. We show that human TMEM95 binds to hamster egg membranes, providing evidence for a TMEM95 receptor on eggs. Using X-ray crystallography, we reveal an evolutionarily conserved, positively charged region of TMEM95 as a putative receptor-binding surface. Amino-acid substitutions within this region of TMEM95 ablate egg-binding activity. We identify monoclonal antibodies against TMEM95 that reduce the number of human sperm fused with hamster eggs in sperm penetration assays. Strikingly, these antibodies do not block binding of sperm to eggs. Taken together, these results provide strong evidence for a specific, receptor-mediated interaction of sperm TMEM95 with eggs and suggest that this interaction may have a role in facilitating membrane fusion. Significance statement Membrane fusion of sperm and eggs is pivotal in sexual reproduction. Tmem95 knockout mice show male-specific sterility, but it was unknown how sperm TMEM95 facilitates membrane fusion with eggs. We show here that human TMEM95 binds eggs. Our crystal structure of TMEM95 suggests a region where this binding may occur. We develop monoclonal antibodies against TMEM95 that impair sperm-egg fusion but do not block sperm-egg binding. Thus, we propose that there is a receptor-mediated interaction of sperm TMEM95 with eggs, and that this interaction may have a direct role in membrane fusion. Our work suggests avenues for the identification of the TMEM95 egg receptor and may enable the development of infertility treatments and contraceptives for humans.

Abstract Sperm acrosomal membrane proteins, such as IZUMO1 and SPACA6, play an essential role in mammalian sperm–egg fusion. How their biosynthesis is regulated during spermiogenesis has largely remained unknown. Here, we show that the 1700029I15Rik knockout male mice are severely subfertile and their spermatozoa do not fuse with eggs. 1700029I15Rik encodes a type-II transmembrane protein that is expressed in early spermatids but not in mature spermatozoa. 1700029I15Rik is associated with proteins involved in N-glycosylation, disulfide isomerisation, and ER– Golgi trafficking, suggesting its involvement in nascent protein processing. 1700029I15Rik knockout testis has a normal level of sperm plasma membrane proteins, but decreased expression of multiple acrosomal membrane proteins. The knockout sperm exhibit elevated ubiquitinated proteins and upregulated ER-associated degradation; strikingly, SPACA6 becomes undetectable. Our results support for a specific, 1700029I15Rik-mediated pathway in spermiogenesis for the assembly of acrosomal membrane proteins. Significance Statement In sexually reproducing species, life begins with the fusion between a sperm and an egg. Multiple sperm acrosomal membrane proteins have been reported indispensable for sperm–egg fusion in mammals, yet the mechanism underlying their biosynthesis remains unknown. The present study demonstrates the existence of a 1700029I15Rik-mediated pathway specifically coordinating the processing and assembly of acrosomal membrane proteins. It represents an intriguing paradigm where the biosynthesis of proteins destined for various subcellular compartments might be orchestrated in a spatiotemporal manner. Given 1700029I15Rik is highly conserved in human, our findings provide potential insights into the aetiology of idiopathic male infertility and the development of a novel contraceptive approach involving molecular interventions in the maturation of gamete fusion-required acrosomal proteins.

Abstract Sperm motility is necessary for successful fertilization, but there remains controversy about whether human sperm motility is primarily powered by glycolysis or oxidative phosphorylation. To evaluate the plausibility of reducing human sperm mitochondrial ATP production as an avenue for contraceptive development, we treated human sperm with small-molecule mitochondrial uncouplers, which reduce mitochondrial membrane potential by inducing passive proton flow, and evaluated the effects on a variety of physiological processes that are critical for fertilization. We also sought to clarify the subcellular localization of Adenosine Nucleotide Translocator 4 (ANT4), a gamete-specific protein that has been suggested as a contraceptive target. We determined that ANT4 is mitochondrially localized, that induced mitochondrial uncoupling can be partially mediated by the ANT family, and that two uncouplers, Niclosamide Ethanolamine and BAM15, significantly decreased sperm progressive motility. However, these uncouplers did not reduce sperm ATP content or impair other physiological processes, implying that human sperm can rely on glycolysis for ATP production in the absence of functional mitochondria. Thus, since certain mitochondrial uncouplers impair motility through ATP-independent mechanisms, they could be useful ingredients in on-demand, vaginally-applied contraceptives. However, systemically delivered contraceptives that target sperm mitochondria to reduce their ATP production would need to be paired with sperm-specific glycolysis inhibitors. Significance Statement Development of novel contraceptives is critical, since half of all pregnancies are still unplanned, even in developed countries. This high unplanned pregnancy rate contributes to a wide variety of social, environmental, and ecological problems. Impairing human sperm is a way to develop male and unisex contraceptives, but much remains unknown about these unique cells. Here we settle a long-running debate about human sperm metabolism, finding that human sperm can maintain their ATP levels without mitochondrial oxidative phosphorylation. This finding will help focus future contraceptive development efforts. We also identify the potential use of an FDA-approved compound (Niclosamide) as a motility-impairing ingredient in spermicides and correct the misunderstood subcellular localization of an existing contraceptive target, Adenosine Nucleotide Translocator 4.

Abstract ESCRT-III polymerization is required for all ESCRT-dependent events in the cell. However, the relative contributions of the eight ESCRT-III subunits differ between each process. The minimal features of ESCRT-III proteins necessary for function, and the role for the multiple ESCRT-III subunits remain unclear. To identify essential features of ESCRT-III subunits, we previously studied the polymerization mechanisms of two ESCRT-III subunits Snf7 and Vps24, identifying the association of the helix-4 region of Snf7 with the helix-1 region of Vps24 (Banjade et al., 2019). Here, we find that mutations in the helix-1 region of another ESCRT-III subunit Vps2 can functionally replace Vps24 in S. cerevisiae . Engineering and genetic selections revealed the required features of both subunits. Our data allow us to propose three minimal features required for ESCRT-III function – spiral formation, lateral association of the spirals through heteropolymerization, and binding to the AAA+ ATPase Vps4 for dynamic remodeling.

Abstract The hydrophobic pocket found in the N-heptad repeat (NHR) region of HIV-1 gp41 is a highly conserved epitope that is the target of various HIV-1 neutralizing monoclonal antibodies. Although the high conservation of the pocket makes it an attractive vaccine candidate, it has been challenging to elicit potent anti-NHR antibodies via immunization. Here, we solved a high-resolution structure of the NHR mimetic IQN17, and, consistent with previous ligand-bound gp41 pocket structures, we observed remarkable conformational plasticity of the pocket. The high malleability of this pocket led us to test whether we could improve the immunogenicity of the gp41 pocket by stabilizing its conformation. We show that the addition of five amino acids at the C-terminus of IQN17, to generate IQN22, introduces a stabilizing salt bridge at the base of the peptide that rigidifies the pocket. Mice immunized with IQN22 elicited higher avidity antibodies against the gp41 pocket and a more potent, albeit still weak, neutralizing response against HIV-1 compared to IQN17. Stabilized epitope-focused immunogens could serve as the basis for future HIV-1 fusion-inhibiting vaccines.

Immune checkpoint blockade of programmed death-1 (PD-1) by monoclonal antibody drugs has delivered breakthroughs in the treatment of cancer. Nonetheless, small-molecule PD-1 inhibitors could lead to increases in treatment efficacy, safety, and global access. While the ligand-binding surface of apo-PD-1 is relatively flat, it harbors a striking pocket in the murine PD-1/PD-L2 structure. An analogous pocket in human PD 1 may serve as a small-molecule drug target, but the structure of the human complex is unknown. Because the CC′ and FG loops in murine PD-1 adopt new conformations upon binding PD-L2, we hypothesized that mutations in these two loops could be coupled to pocket formation and alter PD-1's affinity for PD-L2. Here, we conducted deep mutational scanning in these loops and used yeast surface display to select for enhanced PD-L2 binding. A PD-1 variant with three substitutions binds PD-L2 with an affinity two orders of magnitude higher than that of the wild-type protein, permitting crystallization of the complex. We determined the X-ray crystal structures of the human triple-mutant PD-1/PD-L2 complex and the apo triple-mutant PD-1 variant at 2.0 Å and 1.2 Å resolution, respectively. Binding of PD-L2 is accompanied by formation of a prominent pocket in human PD-1, as well as substantial conformational changes in the CC′ and FG loops. The structure of the apo triple-mutant PD-1 shows that the CC′ loop adopts the ligand-bound conformation, providing support for allostery between the loop and pocket. This human PD-1/PD-L2 structure provide critical insights for the design and discovery of small-molecule PD-1 inhibitors.