Abstract Class-switched neutralizing antibody (nAb) production is rapidly induced upon many viral infections. However, due to the presence of multiple components in typical virions, the precise biochemical and biophysical signals from viral infections that initiate nAb responses remain inadequately defined. Using a reductionist system of synthetic virus-like structures (SVLS) containing minimal, highly purified biochemical components commonly found in enveloped viruses, here we show that a foreign protein on a virion-sized liposome can serve as a stand-alone danger signal to initiate class-switched nAb responses in the absence of cognate T cell help or Toll-like receptor signaling but requires CD19, the antigen (Ag) coreceptor on B cells. Introduction of internal nucleic acids (iNAs) obviates the need for CD19, lowers the epitope density (ED) required to elicit the Ab response and transforms these structures into highly potent immunogens that rival conventional virus-like particles in their ability to elicit strong Ag-specific IgG. As early as day 5 after immunization, structures harbouring iNAs and decorated with just a few molecules of surface Ag at doses as low as 100 ng induced all IgG subclasses of Ab known in mice and reproduced the IgG2a/2c restriction that has been long observed in live viral infections. These findings reveal a shared mechanism for nAb response upon viral infection. High ED is capable but not necessary for driving Ab secretion in vivo . Instead, even a few molecules of surface Ag, when combined with nucleic acids within these structures, can trigger strong antiviral IgG production. As a result, the signaling threshold for the induction of neutralizing IgG is set by dual signals originating from both ED on the surface and the presence of iNAs within viral particulate immunogens. One-sentence summary Reconstitution of minimal viral signals necessary to initiate antiviral IgG

Abstract Although it has long been appreciated that multivalent antigens – and particularly viral epitope display – produce extremely rapid, robust, and T-independent humoral immune responses, the biochemical basis for such potency has been incompletely understood. Here we take advantage of a set of neutral liposomes of viral size that are engineered to display affinity mutants of the model antigen (Ag) hen egg lysozyme at precisely varied density. We show that particulate Ag display by liposomes induces highly potent B cell responses that are dose-and density-dependent but affinity-independent. Titrating dose of particulate, but not soluble, Ag reveals bimodal Erk phosphorylation and cytosolic calcium increases. Particulate Ag induces signal amplification downstream of the B cell receptor (BCR) by selectively evading LYN-dependent inhibitory pathways, but in vitro potency is independent of CD19. Importantly, Ag display on viral-sized particles signals independently of MYD88 and IRAK1/4, but activates NF- κ B robustly in a manner that mimics T cell help. Together, such biased signaling by particulate Ag promotes MYC expression and reduces the threshold required for B cell proliferation relative to soluble Ag. These findings uncover a molecular basis for highly sensitive B cell response to viral Ag display and remarkable potency of virus-like particle vaccines that is not merely accounted for by avidity and BCR cross-linking, and is independent of the contribution of B cell nucleic acid-sensing machinery.

Virus-like particles are known to induce long-term humoral immunity, but the mechanisms involved have been less understood. Model antigens (Ags) are indispensable for understanding B-cell responses to immunization but immunogens that facilitate the dissection of viral features on B-cell responses are limited. Here we describe a system of liposome-based virus-like structures that allowed us to independently vary the contributions of fundamental viral attributes to the initiation and durability of antibody (Ab) responses, and to do so without additional adjuvants. We show that Ag display on a virion-sized liposome can serve as a stand-alone danger signal to initiate class-switched Ab response in the absence of either T cell help or Toll-like receptors but requires CD19. Introduction of internal nucleic acids lowers the epitope density required to elicit a response and transforms these structures into highly potent immunogens that are independent of CD19 engagement and rival well-established bacteriophage virus-like particles in the resulting Ag-specific IgG titers. As early as day 5 after injection, structures decorated with even a few molecules of surface Ag at doses as low as 100 ng can induce all IgG subclasses of Ab characterized by an off rate of ~0.0005 s-1. A single injection of these structures at low Ag dose led to life-long neutralizing Ab production in BALB/c mice. Thus, Ag valency and intrinsic sensing of viral nucleic acids coordinate quantitatively to mediate long-lasting antiviral IgG in a primary immune response.