Antibodies are crucial to immune protection against SARS-CoV-2, with some in emergency use as therapeutics. Here, we identify 377 human monoclonal antibodies (mAbs) recognizing the virus spike and focus mainly on 80 that bind the receptor binding domain (RBD). We devise a competition data-driven method to map RBD binding sites. We find that although antibody binding sites are widely dispersed, neutralizing antibody binding is focused, with nearly all highly inhibitory mAbs (IC50 < 0.1 μg/mL) blocking receptor interaction, except for one that binds a unique epitope in the N-terminal domain. Many of these neutralizing mAbs use public V-genes and are close to germline. We dissect the structural basis of recognition for this large panel of antibodies through X-ray crystallography and cryoelectron microscopy of 19 Fab-antigen structures. We find novel binding modes for some potently inhibitory antibodies and demonstrate that strongly neutralizing mAbs protect, prophylactically or therapeutically, in animal models.

Abstract Type I interferon (IFN-I) neutralizing autoantibodies have been found in some critical COVID-19 patients; however, their prevalence and longitudinal dynamics across the disease severity scale, and functional effects on circulating leukocytes remain unknown. Here, in 284 COVID-19 patients, we found IFN-I autoantibodies in 19% of critical, 6% of severe and none of the moderate cases. Longitudinal profiling of over 600,000 peripheral blood mononuclear cells using multiplexed single-cell epitope and transcriptome sequencing from 54 COVID-19 patients, 15 non-COVID-19 patients and 11 non-hospitalized healthy controls, revealed a lack of IFN-I stimulated gene (ISG-I) response in myeloid cells from critical cases, including those producing anti-IFN-I autoantibodies. Moreover, surface protein analysis showed an inverse correlation of the inhibitory receptor LAIR-1 with ISG-I expression response early in the disease course. This aberrant ISG-I response in critical patients with and without IFN-I autoantibodies, supports a unifying model for disease pathogenesis involving ISG-I suppression via convergent mechanisms.

Abstract Detoxification of heme in Plasmodium depends on its crystallization into hemozoin. This pathway is a major target of antimalarial drugs. X-ray powder diffraction has established that the unit cell contains a cyclic hematin dimer, yet the pro-chiral nature of heme supports formation of four distinct stereoisomers, two centrosymmetric and two chiral enantiomers. Here we apply emerging methods of in situ cryo-electron tomography and diffraction to obtain a definitive structure of biogenic hemozoin. Individual crystals take a striking polar morphology. Diffraction analysis, supported by density functional theory, indicates a compositional mixture of one centrosymmetric and one chiral dimer, whose absolute configuration has been determined on the basis of crystal morphology and interaction with the aqueous medium. Structural modeling of the heme detoxification protein suggests a mechanism for dimer selection. The refined structure of hemozoin should serve as a guide to new drug development.

Abstract SARS-CoV-2 is the causative agent of COVID-19. The highly conserved viral NSP15 endoribonuclease, NendoU, is a key enzyme involved in viral immune evasion, and a promising target for the development of new classes of antivirals. Yet, the broad variety of recognition sequences, complex assembly and kinetics, and lack of structural complexes hampers the development of new competitive or allosteric inhibitors for this target. Here, we performed enzymatic characterization of NendoU in its monomeric and hexameric form, showing that hexamers are allosteric enzymes with a positive cooperative index of 2. By using cryo-EM at distinct pH’s combined with X-ray crystallography and structural analysis, we demonstrate the potential for NendoU to shift between open and closed states, and assembly in larger supramolecular entities, which might serve as a mechanism of self-regulation. Further, we report results from a large fragment screening campaign against NendoU, revealing multiple new allosteric sites for the development of inhibitors.

Detoxification of heme in Plasmodium depends on its crystallization into hemozoin. This pathway is a major target of antimalarial drugs. The crystalline structure of hemozoin was established by X-ray powder diffraction using a synthetic analog, β-hematin. Here, we apply emerging methods of in situ cryo-electron tomography and 3D electron diffraction to obtain a definitive structure of hemozoin directly from ruptured parasite cells. Biogenic hemozoin crystals take a striking polar morphology. Like β-hematin, the unit cell contains a heme dimer, which may form four distinct stereoisomers: two centrosymmetric and two chiral enantiomers. Diffraction analysis, supported by density functional theory analysis, reveals a selective mixture in the hemozoin lattice of one centrosymmetric and one chiral dimer. Absolute configuration has been determined by morphological analysis and confirmed by a novel method of exit-wave reconstruction from a focal series. Atomic disorder appears on specific facets asymmetrically, and the polar morphology can be understood in light of water binding. Structural modeling of the heme detoxification protein suggests a function as a chiral agent to bias the dimer formation in favor of rapid growth of a single crystalline phase. The refined structure of hemozoin should serve as a guide to new drug development.