Abstract The coronavirus spike glycoprotein, located on the virion surface, is the key mediator of cell entry. As such, it is an attractive target for the development of protective antibodies and vaccines. Here we describe two human monoclonal antibodies, 1.6C7 and 28D9, that display a remarkable cross-reactivity against distinct species from three Betacoronavirus subgenera, capable of binding the spike proteins of SARS-CoV and SARS-CoV-2, MERS-CoV and the endemic human coronavirus HCoV-OC43. Both antibodies, derived from immunized transgenic mice carrying a human immunoglobulin repertoire, blocked MERS-CoV infection in cells, whereas 28D9 also showed weak cross-neutralizing potential against HCoV-OC43, SARS-CoV and SARS-CoV-2 in a neutralization-sensitive virus pseudotyping system, but not against authentic virus. Both cross-reactive monoclonal antibodies were found to target the stem helix in the spike protein S2 fusion subunit which, in the prefusion conformation of trimeric spike, forms a surface exposed membrane-proximal helical bundle, that is antibody-accessible. We demonstrate that administration of these antibodies in mice protects from a lethal MERS-CoV challenge in both prophylactic and/or therapeutic models. Collectively, these antibodies delineate a conserved, immunogenic and vulnerabe site on the spike protein which spurs the development of broad-range diagnostic, preventive and therapeutic measures against coronaviruses.

Abstract SARS-CoV-2 has infected millions of people globally and continues to undergo evolution. Emerging variants can be partially resistant to vaccine induced immunity and therapeutic antibodies, emphasizing the urgent need for accessible, broad-spectrum therapeutics. Here, we report a comprehensive study of ensovibep, the first trispecific clinical DARPin candidate, that can simultaneously engage all three units of the spike protein trimer to potently inhibit ACE2 interaction, as revealed by structural analyses. The cooperative binding of the individual modules enables ensovibep to retain inhibitory potency against all frequent SARS-CoV-2 variants, including Omicron BA.1 and BA.2, as of February 2022. Moreover, viral passaging experiments show that ensovibep, when used as a single agent, can prevent development of escape mutations comparably to a cocktail of monoclonal antibodies (mAb). Finally, we demonstrate that the very high in vitro antiviral potency also translates into significant therapeutic protection and reduction of pathogenesis in Roborovski dwarf hamsters infected with either the SARS-CoV-2 wild-type or the Alpha variant. In this model, ensovibep prevents fatality and provides substantial protection equivalent to the standard of care mAb cocktail. These results support further clinical evaluation and indicate that ensovibep could be a valuable alternative to mAb cocktails and other treatments for COVID-19.

Abstract The ongoing evolution of SARS-CoV-2 has resulted in the emergence of Omicron, which displays striking immune escape potential. Many of its mutations localize to the spike protein ACE2 receptor-binding domain, annulling the neutralizing activity of most therapeutic monoclonal antibodies. Here we describe a receptor-blocking human monoclonal antibody, 87G7, that retains ultrapotent neutralization against SARS-CoV-2 variants including the Alpha, Beta, Gamma, Delta and Omicron (BA.1/BA.2) Variants-of-Concern (VOCs). Structural analysis reveals that 87G7 targets a patch of hydrophobic residues in the ACE2-binding site that are highly conserved in SARS-CoV-2 variants, explaining its broad neutralization capacity. 87G7 protects mice and/or hamsters against challenge with all current SARS-CoV-2 VOCs. Our findings may aid the development of sustainable antibody-based strategies against COVID-19 that are more resilient to SARS-CoV-2 antigenic diversity. One sentence summary A human monoclonal antibody confers broad neutralization and protection against Omicron and other SARS-CoV-2 variants

Abstract SARS-CoV-2 has caused a global outbreak of severe respiratory disease (COVID-19), leading to an unprecedented public health crisis. To date, there has been over thirty-three million diagnosed infections, and over one million deaths. No vaccine or targeted therapeutics are currently available. We previously identified a human monoclonal antibody, 47D11, capable of cross-neutralising SARS-CoV-2 and the related 2002/2003 SARS-CoV in vitro , and preventing SARS-CoV-2 induced pneumonia in a hamster model. Here we present the structural basis of its neutralization mechanism. We describe cryo-EM structures of trimeric SARS-CoV and SARS-CoV-2 spike ectodomains in complex with the 47D11 Fab. These data reveal that 47D11 binds specifically to the closed conformation of the receptor binding domain, distal to the ACE2 binding site. The CDRL3 stabilises the N343 glycan in an upright conformation, exposing a conserved and mutationally constrained hydrophobic pocket, into which the CDRH3 loop inserts two aromatic residues. Interestingly, 47D11 preferentially selects for the partially open conformation of the SARS-CoV-2 spike, suggesting that it could be used effectively in combination with other antibodies that target the exposed receptor-binding motif. Taken together, these results expose a cryptic site of vulnerability on the SARS-CoV-2 RBD and provide a structural roadmap for the development of 47D11 as a prophylactic or post-exposure therapy for COVID-19.

Abstract The enterovirus genus encompasses many clinically important human pathogens such as poliovirus, coxsackieviruses, echoviruses, numbered enteroviruses and rhinoviruses. These viruses are the etiological agents of several human diseases, including hand-foot-and-mouth disease, neonatal sepsis, encephalitis, meningitis, paralysis and respiratory infections. There is an unmet need for antivirals to treat these diseases. The non-structural protein 2C is a AAA+ helicase and plays a key role in viral replication. As such, it is an attractive target for antiviral drug development. Several repurposing screens with FDA-approved drugs have identified 2C-targeting compounds such as fluoxetine and dibucaine, but the molecular basis of 2C inhibition has remained enigmatic. Here we present the 1.5 Å resolution crystal structure of the soluble fragment of coxsackievirus B3 2C protein in complex with (S)-fluoxetine (SFX), which reveals a conserved, hydrophobic drug-binding pocket which is distal to the ATP binding site. To decipher the molecular mechanism of inhibition by fluoxetine and other 2C-targeting compounds, we engineered a soluble, hexameric and ATPase competent 2C protein. Using this system, we show that SFX, dibucaine, HBB and guanidine hydrochloride inhibit 2C ATPase activity in a dose-dependent manner. Moreover, using cryo-EM analysis, we demonstrate that SFX and dibucaine lock 2C in a defined hexameric state, rationalizing their mode of inhibition and allowing us to generate the first reconstruction of the oligomeric complex. Taken together, these results provide important structural and mechanistic insights into 2C inhibition and provide a robust engineering strategy which can be used for structural, functional and drug-screening analysis of 2C proteins from current or future enteroviruses.

Abstract Current Influenza virus vaccines primarily induce antibody responses against variable epitopes in hemagglutinin (HA), necessitating frequent updates. However, antibodies against neuraminidase (NA) can also confer protection against influenza, making NA an attractive target for the development of novel vaccines. In this study, we aimed to enhance the immunogenicity of recombinant NA antigens by presenting them multivalently on a nanoparticle carrier. Soluble tetrameric NA antigens of the N1 and N2 subtypes, confirmed to be correctly folded by cryo-electron microscopy structural analysis, were conjugated to Mi3 self-assembling protein nanoparticles using the SpyTag-SpyCatcher system. Immunization of mice with NA-Mi3 nanoparticles induced higher titers of NA-binding and -inhibiting antibodies and improved protection against a lethal challenge compared to unconjugated NA. Additionally, we explored the co-presentation of N1 and N2 antigens on the same Mi3 particles to create a mosaic vaccine candidate. These mosaic nanoparticles elicited antibody titers that were similar or superior to the homotypic nanoparticles and effectively protected against H1N1 and H3N2 challenge viruses. The NA-Mi3 nanoparticles represent a promising vaccine candidate that could complement HA-directed approaches for enhanced potency and broadened protection against influenza A virus.

Abstract The ongoing COVID-19 pandemic has had great societal and health consequences. Despite the availability of vaccines, infection rates remain high due to immune evasive Omicron sublineages. Broad-spectrum antivirals are needed to safeguard against emerging variants and future pandemics. We used mRNA display under a reprogrammed genetic code to find a spike-targeting macrocyclic peptide that inhibits SARS-CoV-2 Wuhan strain infection and pseudoviruses containing spike proteins of SARS-CoV-2 variants or related sarbecoviruses. Structural and bioinformatic analyses reveal a conserved binding pocket between the receptor binding domain, N-terminal domain and S2 region, distal to the ACE2 receptor-interaction site. Our data reveal a hitherto unexplored site of vulnerability in sarbecoviruses that peptides and potentially other drug-like molecules can target. Significance statement This study reports on the discovery of a macrocyclic peptide that is able to inhibit SARS-CoV-2 infection by exploiting a new vulnerable site in the spike glycoprotein. This region is highly conserved across SARS-CoV-2 variants and the subgenus sarbecovirus. Due to the inaccessability and mutational contraint of this site, it is anticipated to be resistant to the development of resistance through antibody selective pressure. In addition to the discovery of a new molecule for development of potential new peptide or biomolecule therapeutics, the discovery of this broadly active conserved site can also stimulate a new direction of drug development, which together may prevent future outbreaks of related viruses.

Abstract Porcine deltacoronavirus (PDCoV) is an emerging enteric pathogen that has recently been detected in humans. Despite this zoonotic concern, the antigenic structure of PDCoV remains unknown. The virus relies on its spike (S) protein for cell entry, making it a prime target for neutralizing antibodies. Here, we generate and characterize a set of neutralizing antibodies targeting the S protein, shedding light on PDCoV S interdomain crosstalk and its vulnerable sites. Among the four identified antibodies, one targets the S1A domain, causing local and long-range conformational changes, resulting in partial exposure of the S1B domain. The other antibodies bind the S1B domain, disrupting binding to aminopeptidase N (APN), the entry receptor for PDCoV. Notably, the epitopes of these S1B-targeting antibodies are concealed in the prefusion S trimer conformation, highlighting the necessity for conformational changes for effective antibody binding. The binding footprint of one S1B binder entirely overlaps with APN-interacting residues and thus targets a highly conserved epitope. These findings provide structural insights into the humoral immune response against the PDCoV S protein, potentially guiding vaccine and therapeutic development for this zoonotic pathogen.

The continued emergence and zoonotic threat posed by coronaviruses highlight the urgent need for effective antiviral strategies with broad reactivity to counter new emerging strains. Nanobodies (or single–domain antibodies) are promising alternatives to traditional monoclonal antibodies, due to their small size, cost–effectiveness and ease of bioengineering. Here, we describe 7F, a llama–derived nanobody, targeting the spike receptor binding domain of sarbecoviruses and SARS-like coronaviruses. 7F demonstrates potent neutralization against SARS–CoV–2 and cross–neutralizing activity against SARS–CoV and SARS–like CoV WIV16 pseudoviruses. Structural analysis reveals 7F′s ability to induce the formation of spike trimer dimers by engaging with two SARS–CoV–2 spike RBDs, targeting the highly conserved class IV region. Bivalent 7F constructs substantially enhance neutralization potency and breadth, up to more recent SARS–CoV–2 variants of concern. Furthermore, we demonstrate the therapeutic potential of 7F against SARS–CoV–2 in the fully differentiated 3D tissue cultures mirroring the epithelium of the human airway ex vivo. The broad sarbecovirus activity and distinctive structural features of 7F underscore its potential as promising antiviral against emerging and evolving sarbecoviruses.

Rather than acting as rigid symmetrical shells to protect and transmit their genomes, the capsids of non-enveloped, icosahedral viruses co-ordinate multiple, essential processes during the viral life-cycle, and undergo extensive conformational rearrangements to deliver these functions. Capturing conformational flexibility has been challenging, yet could be key in understanding and combating infections that viruses cause. Noroviruses are non-enveloped, icosahedral viruses of global importance to human health. They are a common cause of acute non-bacterial gastroenteritis, yet no vaccines or antiviral agents specific to norovirus are available. Here, we use cryo-electron microscopy to study the high-resolution solution structures of infectious, inactivated and mutant virions of murine norovirus (MNV) as a model for human noroviruses. Together with genetic studies, we show that the viral capsid is highly dynamic. While there is little change to the shell domain of the capsid, the protruding domains that radiate from this are flexible and adopt distinct states both independently and synchronously. In doing so the viral capsid is able to sample a defined range of conformational space, with implications for the maintenance of virion stability and infectivity. These data will aid in developing the first generation of effective control measures against this virus.