Striking antibody evasion by emerging circulating SARS-CoV-2 variants drives the identification of broadly neutralizing antibodies (bNAbs). However, how a bNAb acquires increased neutralization breadth during antibody evolution is still elusive. Here, we identified a clonally-related antibody family from a convalescent individual. One of the members, XG005, exhibited potent and broad neutralizing activities against SARS-CoV-2 variants, while the other members showed significant reductions in neutralization breadth and potency, especially against the Omicron sublineages. Structural analysis visualizing the XG005-Omicron spike binding interface revealed how crucial somatic mutations endowed XG005 with greater neutralization potency and breadth. A single administration of XG005 with extended half-life, reduced antibody-dependent enhancement (ADE) effect, and increased antibody product quality, exhibited a high therapeutic efficacy in BA.2- and BA.5-challenged mice. Our results provided a natural example to show the importance of somatic hypermutation during antibody evolution for SARS-CoV-2 neutralization breadth and potency.

Abstract Pendrin SLC26A4 is an anion exchanger expressed in apical membranes of selected epithelia. Pendrin ablation causes Pendred syndrome, a genetic disorder disease associated with sensorineural hearing loss, hypothyroid goiter, and reduced blood pressure. However, its molecular structure has remained unknown limiting our understanding. Here, we determined the structures of mouse pendrin with symmetric and characteristically asymmetric homodimer conformations by cryo-electron microscopy. The asymmetric homodimer consists of an inward-facing protomer and an intermediate-state protomer, representing the coincident uptake and secretion process, and exhibits the unique state of pendrin as an electroneutral exchanger. This previously unrevealed conformation, together with other conformations we captured, provides an inverted alternate-access mechanism for anion exchange. Furthermore, our structural and functional data disclosed the properties of anion exchange cleft and interpreted the important pathogenetic mutations. These investigations shed light on the pendrin exchange mechanism and extend our structure-guided understanding of pathogenetic mutations. One-Sentence Summary Cryo-EM asymmetric Pendrin homodimer cracks its exchange mechanism and guides our understanding for pathogenetic mutations.

Abstract The highly mutated and transmissible Omicron variant has provoked serious concerns over its decreased sensitivity to the current coronavirus disease 2019 (COVID-19) vaccines and evasion from most anti-severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) neutralizing antibodies (NAbs). In this study, we explored the possibility of combatting the Omicron variant by constructing bispecific antibodies based on non-Omicron NAbs. We engineered ten IgG-like bispecific antibodies with non-Omicron NAbs named GW01, 16L9, 4L12, and REGN10987 by fusing the single-chain variable fragments (scFvs) of two antibodies through a linker and then connecting them to the Fc region of IgG1. Surprisingly, eight out of ten bispecific antibodies showed high binding affinity to the Omicron receptor-binding domain (RBD) and exhibited extreme breadth and potency against pseudotyped SARS-CoV-2 variants of concern (VOCs) including Omicron, as well as authentic Omicron(+R346K) variants. Six bispecific antibodies containing the cross-NAb GW01 neutralized Omicron variant and retained their abilities to neutralize other sarbecoviruses. Bispecific antibodies inhibited Omicron infection by binding to the ACE2 binding site. A cryo-electron microscopy (cryo-EM) structure study of the representative bispecific antibody FD01 in complex with the Omicron spike (S) revealed 5 distinct trimers and one unique bi-trimer conformation. The structure and mapping analyses of 34 Omicron S variant single mutants elucidated that two scFvs of the bispecific antibody synergistically induced the RBD-down conformation into 3-RBD-up conformation, enlarged the interface area, accommodated the S371L mutation, improved the affinity between a single IgG and the Omicron RBD, and hindered ACE2 binding by forming bi-trimer conformation. Our study offers an important foundation for anti-Omicron NAb design. Engineering bispecific antibodies based on non-Omicron NAbs may provide an efficient solution to combat the Omicron variant.

The continuous emergence of novel SARS-CoV-2 variants poses new challenges to the fight against the COVID-19 pandemic. The newly emerging Omicron strain caused serious immune escape and raised unprecedented concern all over the world. The development of antibody targeting conserved and universal epitope is urgently needed. A subset neutralizing antibody(nAbs) against COVID-19 from convalescent patients were isolated in our previous study. Here in this study, we investigated the accommodation of these nAbs to SARS-CoV-2 variants of concerns (VOCs), revealing that IgG 553-49 neutralizes pseudovirus of SARS-CoV-2 Omicron variant. In addition, we determined the cryo-EM structure of SARS-CoV-2 spike complexed with three antibodies targeting different epitopes, including 553-49, 553-15 and 553-60. Notably, 553-49 targets a novel conserved epitope and neutralizes virus by disassembling spike trimers. 553-15, an antibody that neutralizes all the other VOCs except omicron, cross-links two spike trimers to form trimer dimer, demonstrating that 553-15 neutralizes virus by steric hindrance and virion aggregation. These findings suggest the potential to develop 49 and other antibody targeting this highly conserved epitope as promising cocktail therapeutics reagent for COVID-19.

Thirst drives animals to reinstate water homeostasis by fluid intake. An increase of blood osmolality is thought to induce thirst by activating a thirst receptor expressed in the subfornical organ (SFO), but the molecular identity of this receptor remains elusive. Here, we provide behavioral and functional evidence to show that TMEM63B functions as a mammalian thirst receptor in the SFO and mediates osmotic and dehydrated thirst. First, we showed that TMEM63B is expressed in SFO excitatory neurons and required for the neuronal responses to hypertonic stimulation. Heterologously expressed TMEM63B is activated by hypertonic stimuli and point mutations can alter the reversal potential of the channel. More importantly, purified TMEM63B in liposomes establishes osmolarity-gated currents. Finally, Tmem63b knockout mice have profound deficits in thirst, and deleting TMEM63B within the SFO neurons recapitulated this phenotype. Taken together, these results provide a molecular basis for thirst and demonstrate TMEM63B is the long-sought mammalian thirst receptor.

Abstract The effectiveness of SARS-CoV-2 vaccines and therapeutic antibodies has been limited by the continuous emergence of viral variants, and by the restricted diffusion of antibodies from circulation into the sites of respiratory virus infection. Here, we report the identification of two highly conserved regions on Omicron variant RBD recognized by broadly neutralizing antibodies. Based on this finding, we generated a bispecific single-domain antibody that was able to simultaneously and synergistically bind these two regions on a single Omicron variant RBD as revealed by Cryo-EM structures. This inhalable antibody exhibited exquisite neutralization breadth and therapeutic efficacy in mouse models of SARS-CoV-2 infections. The structures also deciphered an uncommon cryptic epitope within the spike trimeric interface that may have implications for the design of broadly protective SARS-CoV-2 vaccines and therapeutics.