How the Delta variant evades defenses In the course of the COVID-19 epidemic, variants of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) continue to emerge, some of which evade immunity or increase transmission. In late 2020, the Delta and Kappa variants were detected, and the Delta variant became globally dominant by June 2021. McCallum et al . show that vaccine-elicited serum-neutralizing activity is reduced against these variants. Based on biochemistry and structural studies, the authors show that mutations in the domain that binds the ACE2 receptor abrogate binding to some monoclonal antibodies but do not improve ACE2 binding, suggesting that they emerged to escape immune recognition. Remodeling of the N-terminal domain allows the variants to escape recognition by most neutralizing antibodies that target it. The work could guide the development of next-generation vaccines and antibody therapies. —VV

Worldwide SARS-CoV-2 transmission leads to the recurrent emergence of variants, such as the recently described B.1.617.1 (kappa), B.1.617.2 (delta) and B.1.617.2+ (delta+). The B.1.617.2 (delta) variant of concern is causing a new wave of infections in many countries, mostly affecting unvaccinated individuals, and has become globally dominant. We show that these variants dampen the in vitro potency of vaccine-elicited serum neutralizing antibodies and provide a structural framework for describing the impact of individual mutations on immune evasion. Mutations in the B.1.617.1 (kappa) and B.1.617.2 (delta) spike glycoproteins abrogate recognition by several monoclonal antibodies via alteration of key antigenic sites, including an unexpected remodeling of the B.1.617.2 (delta) N-terminal domain. The binding affinity of the B.1.617.1 (kappa) and B.1.617.2 (delta) receptor-binding domain for ACE2 is comparable to the ancestral virus whereas B.1.617.2+ (delta+) exhibits markedly reduced affinity. We describe a previously uncharacterized class of N-terminal domain-directed human neutralizing monoclonal antibodies cross-reacting with several variants of concern, revealing a possible target for vaccine development.

Endocytosis and lysosomal trafficking of cell surface receptors can be triggered by interaction with endogenous ligands. Therapeutic approaches such as LYTAC1,2 and KineTAC3, have taken advantage of this to target specific proteins for degradation by fusing modified native ligands to target binding proteins. While powerful, these approaches can be limited by possible competition with the endogenous ligand(s), the requirement in some cases for chemical modification that limits genetic encodability and can complicate manufacturing, and more generally, there may not be natural ligands which stimulate endocytosis through a given receptor. Here we describe general protein design approaches for designing endocytosis triggering binding proteins (EndoTags) that overcome these challenges. We present EndoTags for the IGF-2R, ASGPR, Sortillin, and Transferrin receptors, and show that fusing these tags to proteins which bind to soluble or transmembrane protein leads to lysosomal trafficking and target degradation; as these receptors have different tissue distributions, the different EndoTags could enable targeting of degradation to different tissues. The modularity and genetic encodability of EndoTags enables AND gate control for higher specificity targeted degradation, and the localized secretion of degraders from engineered cells. The tunability and modularity of our genetically encodable EndoTags should contribute to deciphering the relationship between receptor engagement and cellular trafficking, and they have considerable therapeutic potential as targeted degradation inducers, signaling activators for endocytosis-dependent pathways, and cellular uptake inducers for targeted antibody drug and RNA conjugates.

Abstract Segments of proteins with β-strand propensity can self associate to form amyloid fibrils associated with many diseases. These regions often adopt alternative structures in their folded states, or are intrinsically disordered in solution, making it difficult to generate binders or inhibitors with existing strategies. Here we describe a general approach to bind such segments in β-strand and β-hairpin conformations using de novo designed scaffolds that contain deep peptide binding clefts flanked by β-strands that form hydrogen bonds to the peptide upon binding. The designs bind their cognate peptides in vitro with nanomolar affinities and in mammalian cells. The crystal structure of a designed protein-peptide complex is close to the design model, and NMR characterization reveals how the peptide binding cleft is protected in the apo state. We use the approach to design binders to segments of the amyloid forming proteins Transthyretin, Tau, Serum amyloid A1 and Aβ42. The Aβ binders block assembly of Aβ fibrils as effectively as the most potent of the clinically tested antibodies to date.

Abstract Computationally designed protein nanoparticles have recently emerged as a promising platform for the development of new vaccines and biologics. For many applications, secretion of designed nanoparticles from eukaryotic cells would be advantageous, but in practice they often secrete poorly. Here we show that designed hydrophobic interfaces that drive nanoparticle assembly are often predicted to form cryptic transmembrane domains, suggesting that interaction with the membrane insertion machinery could limit efficient secretion. We develop a general computational protocol, the Degreaser, to design away cryptic transmembrane domains without sacrificing protein stability. Retroactive application of the Degreaser to previously designed nanoparticle components and nanoparticles considerably improves secretion, and modular integration of the Degreaser into design pipelines results in new nanoparticles that secrete as robustly as naturally occurring protein assemblies. Both the Degreaser protocol and the novel nanoparticles we describe may be broadly useful in biotechnological applications.

Abstract Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV) is a zoonotic betacoronavirus that causes severe and often lethal respiratory illness in humans. The MERS-CoV spike (S) protein is the viral fusogen and the target of neutralizing antibodies, and has therefore been the focus of vaccine design efforts. Currently there are no licensed vaccines against MERS-CoV and only a few candidates have advanced to Phase I clinical trials. Here we developed MERS-CoV vaccines utilizing a computationally designed protein nanoparticle platform that has generated safe and immunogenic vaccines against various enveloped viruses, including a licensed vaccine for SARS-CoV-2. Two-component protein nanoparticles displaying MERS-CoV S-derived antigens induced robust neutralizing antibody responses and protected mice against challenge with mouse-adapted MERS-CoV. Electron microscopy polyclonal epitope mapping and serum competition assays revealed the specificities of the dominant antibody responses elicited by immunogens displaying the prefusion-stabilized S-2P trimer, receptor binding domain (RBD), or N-terminal domain (NTD). An RBD nanoparticle vaccine elicited antibodies targeting multiple non-overlapping epitopes in the RBD, whereas anti-NTD antibodies elicited by the S-2P– and NTD-based immunogens converged on a single antigenic site. Our findings demonstrate the potential of two-component nanoparticle vaccine candidates for MERS-CoV and suggest that this platform technology could be broadly applicable to betacoronavirus vaccine development.

Interleukin (IL)-23 and IL-17 are well-validated therapeutic targets in autoinflammatory diseases. Antibodies targeting IL-23 and IL-17 have shown clinical efficacy but are limited by high costs, safety risks, lack of sustained efficacy, and poor patient convenience as they require parenteral administration. Here, we present designed miniproteins inhibiting IL-23R and IL-17 with antibody-like, low picomolar affinities at a fraction of the molecular size. The minibinders potently block cell signaling in vitro and are extremely stable, enabling oral administration and low-cost manufacturing. The orally administered IL-23R minibinder shows efficacy better than a clinical anti-IL-23 antibody in mouse colitis and has a favorable pharmacokinetics (PK) and biodistribution profile in rats. This work demonstrates that orally administered de novo-designed minibinders can reach a therapeutic target past the gut epithelial barrier. With high potency, gut stability, and straightforward manufacturability, de novo-designed minibinders are a promising modality for oral biologics.

Cytokine release syndrome (CRS), commonly known as cytokine storm, is an acute systemic inflammatory response that is a significant global health threat. Interleukin-6 (IL-6) and interleukin-1 (IL-1) are key pro-inflammatory cytokines involved in CRS and are hence critical therapeutic targets. Current antagonists, such as tocilizumab and anakinra, target IL-6R/IL-1R but have limitations due to their long half-life and systemic anti-inflammatory effects, making them less suitable for acute or localized treatments. Here we present the de novo design of small protein antagonists that prevent IL-1 and IL-6 from interacting with their receptors to activate signaling. The designed proteins bind to the IL-6R, GP130 (an IL-6 co-receptor), and IL-1R1 receptor subunits with binding affinities in the picomolar to low-nanomolar range. X-ray crystallography studies reveal that the structures of these antagonists closely match their computational design models. In a human cardiac organoid disease model, the IL-1R antagonists demonstrated protective effects against inflammation and cardiac damage induced by IL-1β. These minibinders show promise for administration via subcutaneous injection or intranasal/inhaled routes to mitigate acute cytokine storm effects. Here, the authors computationally designed and produced small protein antagonists to target IL-6 and IL-1β signaling to develop modulators of CRS.

ABSTRACT The unprecedented global demand for SARS-CoV-2 vaccines has demonstrated the need for highly effective vaccine candidates that are thermostable and amenable to large-scale manufacturing. Nanoparticle immunogens presenting the receptor-binding domain (RBD) of the SARS-CoV-2 Spike protein (S) in repetitive arrays are being advanced as second-generation vaccine candidates, as they feature robust manufacturing characteristics and have shown promising immunogenicity in preclinical models. Here, we used previously reported deep mutational scanning (DMS) data to guide the design of stabilized variants of the RBD. The selected mutations fill a cavity in the RBD that has been identified as a linoleic acid binding pocket. Screening of several designs led to the selection of two lead candidates that expressed at higher yields than the wild-type RBD. These stabilized RBDs possess enhanced thermal stability and resistance to aggregation, particularly when incorporated into an icosahedral nanoparticle immunogen that maintained its integrity and antigenicity for 28 days at 35-40°C, while corresponding immunogens displaying the wild-type RBD experienced aggregation and loss of antigenicity. The stabilized immunogens preserved the potent immunogenicity of the original nanoparticle immunogen, which is currently being evaluated in a Phase I/II clinical trial. Our findings may improve the scalability and stability of RBD-based coronavirus vaccines in any format and more generally highlight the utility of comprehensive DMS data in guiding vaccine design.

Relating the macroscopic properties of protein-based materials to their underlying component microstructure is an outstanding challenge. Here, we exploit computational design to specify the size, flexibility, and valency of