We describe a de novo computational approach for designing proteins that recapitulate the binding sites of natural cytokines, but are otherwise unrelated in topology or amino acid sequence. We use this strategy to design mimics of the central immune cytokine interleukin-2 (IL-2) that bind to the IL-2 receptor βγc heterodimer (IL-2Rβγc) but have no binding site for IL-2Rα (also called CD25) or IL-15Rα (also known as CD215). The designs are hyper-stable, bind human and mouse IL-2Rβγc with higher affinity than the natural cytokines, and elicit downstream cell signalling independently of IL-2Rα and IL-15Rα. Crystal structures of the optimized design neoleukin-2/15 (Neo-2/15), both alone and in complex with IL-2Rβγc, are very similar to the designed model. Neo-2/15 has superior therapeutic activity to IL-2 in mouse models of melanoma and colon cancer, with reduced toxicity and undetectable immunogenicity. Our strategy for building hyper-stable de novo mimetics could be applied generally to signalling proteins, enabling the creation of superior therapeutic candidates.

Low-dose human interleukin-2 (hIL-2) treatment is used clinically to treat autoimmune disorders due to the cytokine's preferential expansion of immunosuppressive regulatory T cells (Tregs). However, off-target immune cell activation and short serum half-life limit the clinical potential of IL-2 treatment. Recent work showed that complexes comprising hIL-2 and the anti-hIL-2 antibody F5111 overcome these limitations by preferentially stimulating Tregs over immune effector cells. Although promising, therapeutic translation of this approach is complicated by the need to optimize dosing ratios and by the instability of the cytokine/antibody complex. We leverage structural insights to engineer a single-chain hIL-2/F5111 antibody fusion protein, termed F5111 immunocytokine (IC), which potently and selectively activates and expands Tregs. F5111 IC confers protection in mouse models of colitis and checkpoint inhibitor-induced diabetes mellitus. These results provide a roadmap for IC design and establish a Treg-biased immunotherapy that could be clinically translated for autoimmune disease treatment.

Regulatory T cells (Treg) are conventionally viewed as suppressors of endogenous and therapy-induced antitumor immunity; however, their role in modulating responses to immune checkpoint blockade (ICB) is unclear. In this study, we integrated single-cell RNA-seq/T cell receptor sequencing (TCRseq) of >73,000 tumor-infiltrating Treg (TIL-Treg) from anti-PD-1-treated and treatment-naive non-small cell lung cancers (NSCLC) with single-cell analysis of tumor-associated antigen (TAA)-specific Treg derived from a murine tumor model. We identified 10 subsets of human TIL-Treg, most of which have high concordance with murine TIL-Treg subsets. Only one subset selectively expresses high levels of TNFRSF4 (OX40) and TNFRSF18 (GITR), whose engangement by cognate ligand mediated proliferative programs and NF-κB activation, as well as multiple genes involved in Treg suppression, including LAG3. Functionally, the OX40hiGITRhi subset is the most highly suppressive ex vivo, and its higher representation among total TIL-Treg correlated with resistance to PD-1 blockade. Unexpectedly, in the murine tumor model, we found that virtually all TIL-Treg-expressing T cell receptors that are specific for TAA fully develop a distinct TH1-like signature over a 2-week period after entry into the tumor, down-regulating FoxP3 and up-regulating expression of TBX21 (Tbet), IFNG, and certain proinflammatory granzymes. Transfer learning of a gene score from the murine TAA-specific TH1-like Treg subset to the human single-cell dataset revealed a highly analogous subcluster that was enriched in anti-PD-1-responding tumors. These findings demonstrate that TIL-Treg partition into multiple distinct transcriptionally defined subsets with potentially opposing effects on ICB-induced antitumor immunity and suggest that TAA-specific TIL-Treg may positively contribute to antitumor responses.

Abstract Techniques to analyze and sort single cells based on functional outputs, such as secreted products, have the potential to transform our understanding of cellular biology, as well as accelerate the development of next generation cell and antibody therapies. However, secreted molecules rapidly diffuse away from cells, and analysis of these products requires specialized equipment and expertise to compartmentalize individual cells and capture their secretions. Herein we demonstrate the use of suspendable microcontainers to sort single viable cells based on their secreted products at high-throughput using only commonly accessible laboratory infrastructure. Our microparticles act as solid supports which facilitate cell attachment, partition uniform aqueous compartments, and capture secreted proteins. Using this platform, we demonstrate high-throughput screening of stably- and transiently-transfected producer cells based on relative IgG production as well as screening of B lymphocytes and hybridomas based on antigen-specific antibody production using commercially available flow sorters. Leveraging the high-speed sorting capabilities of standard sorters, we sorted >1,000,000 events in less than an hour. The reported microparticles can be easily stored, and distributed as a consumable reagent amongst researchers, democratizing access to high-throughput functional cell screening.

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.

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.

Progress in cytokine engineering is driving therapeutic translation by overcoming the inherent limitations of these proteins as drugs. The interleukin-2 (IL-2) cytokine harbors great promise as an immune stimulant for cancer treatment. However, the cytokine's concurrent activation of both pro-inflammatory immune effector cells and anti-inflammatory regulatory T cells, its toxicity at high doses, and its short serum half-life have limited clinical application. One promising approach to improve the selectivity, safety, and longevity of IL-2 is complexation with anti-IL-2 antibodies that bias the cytokine towards the activation of immune effector cells (i.e., effector T cells and natural killer cells). Although this strategy shows therapeutic potential in preclinical cancer models, clinical translation of a cytokine/antibody complex is complicated by challenges in formulating a multi-protein drug and concerns about complex stability. Here, we introduce a versatile approach to designing intramolecularly assembled single-agent fusion proteins (immunocytokines, ICs) comprising IL-2 and a biasing anti-IL-2 antibody that directs the cytokine's activities towards immune effector cells. We establish the optimal IC construction and further engineer the cytokine/antibody affinity to improve immune biasing function. We demonstrate that our IC preferentially activates and expands immune effector cells, leading to superior antitumor activity compared to natural IL-2 without inducing toxicities associated with IL-2 administration. Collectively, this work presents a roadmap for the design and translation of immunomodulatory cytokine/antibody fusion proteins.

The spread of cancer from organ to organ (metastasis) is responsible for the vast majority of cancer deaths; however, most current anti-cancer drugs are designed to arrest or reverse tumor growth without directly addressing disease spread. It was recently discovered that tumor cell-secreted interleukin-6 (IL-6) and interleukin-8 (IL-8) synergize to enhance cancer metastasis in a cell-density dependent manner, and blockade of the IL-6 and IL-8 receptors (IL-6R and IL-8R) with a novel bispecific antibody, BS1, significantly reduced metastatic burden in multiple preclinical mouse models of cancer. Bispecific antibodies (BsAbs), which combine two different antigen-binding sites into one molecule, are a promising modality for drug development due to their enhanced avidity and dual targeting effects. However, while BsAbs have tremendous therapeutic potential, elucidating the mechanisms underlying their binding and inhibition will be critical for maximizing the efficacy of new BsAb treatments. Here, we describe a quantitative, computational model of the BS1 BsAb, exhibiting how modeling multivalent binding provides key insights into antibody affinity and avidity effects and can guide therapeutic design. We present detailed simulations of the monovalent and bivalent binding interactions between different antibody constructs and the IL-6 and IL-8 receptors to establish how antibody properties and system conditions impact the formation of binary (antibody-receptor) and ternary (receptor-antibody-receptor) complexes. Model results demonstrate how the balance of these complex types drives receptor inhibition, providing important and generalizable predictions for effective therapeutic design.