Abstract The outbreak of COVID-19 has severely impacted global health and the economy. Cost-effective, highly efficacious therapeutics are urgently needed. Here, we used camelid immunization and proteomics to identify a large repertoire of highly potent neutralizing nanobodies (Nbs) to the SARS-CoV-2 spike (S) protein receptor-binding domain (RBD). We discovered multiple elite Nbs with picomolar to femtomolar affinities that inhibit viral infection at sub-ng/ml concentration, more potent than some of the best human neutralizing antibodies. We determined a crystal structure of such an elite neutralizing Nb in complex with RBD. Structural proteomics and integrative modeling revealed multiple distinct and non-overlapping epitopes and indicated an array of potential neutralization mechanisms. Structural characterization facilitated the bioengineering of novel multivalent Nb constructs into multi-epitope cocktails that achieved ultrahigh neutralization potency (IC50s as low as 0.058 ng/ml) and may prevent mutational escape. These thermostable Nbs can be rapidly produced in bulk from microbes and resist lyophilization, and aerosolization. These promising agents are readily translated into efficient, cost-effective, and convenient therapeutics to help end this once-in-a-century health crisis.

There is an urgent need to develop effective interventions resistant to the evolving variants of SARS-CoV-2. Nanobodies (Nbs) are stable and cost-effective agents that can be delivered by novel aerosolization route to treat SARS-CoV-2 infections efficiently. However, it remains unknown if they possess broadly neutralizing activities against the prevalent circulating strains. We found that potent neutralizing Nbs are highly resistant to the convergent variants of concern that evade a large panel of neutralizing antibodies (Abs) and significantly reduce the activities of convalescent or vaccine-elicited sera. Subsequent determination of 9 high-resolution structures involving 6 potent neutralizing Nbs by cryoelectron microscopy reveals conserved and novel epitopes on virus spike inaccessible to Abs. Systematic structural comparison of neutralizing Abs and Nbs provides critical insights into how Nbs uniquely target the spike to achieve high-affinity and broadly neutralizing activity against the evolving virus. Our study will inform the rational design of novel pan-coronavirus vaccines and therapeutics.

Abstract Globally there is an urgency to develop effective, low-cost therapeutic interventions for coronavirus disease 2019 (COVID-19). We previously generated the stable and ultrapotent homotrimeric Pittsburgh inhalable Nanobody 21 (PiN-21). Using Syrian hamsters that model moderate to severe COVID-19 disease, we demonstrate the high efficacy of PiN-21 to prevent and treat SARS-CoV-2 infection. Intranasal delivery of PiN-21 at 0.6 mg/kg protects infected animals from weight loss and substantially reduces viral burdens in both lower and upper airways compared to control. Aerosol delivery of PiN-21 facilitates deposition throughout the respiratory tract and dose minimization to 0.2 mg/kg. Inhalation treatment quickly reverses animals’ weight loss post-infection and decreases lung viral titers by 6 logs leading to drastically mitigated lung pathology and prevents viral pneumonia. Combined with the marked stability and low production cost, this novel therapy may provide a convenient and cost-effective option to mitigate the ongoing pandemic.

SARS-CoV-2 Omicron variant of concern (VOC) contains fifteen mutations on the receptor binding domain (RBD), evading most neutralizing antibodies from vaccinated sera. Emerging evidence suggests that Omicron breakthrough cases are associated with substantially lower antibody titers than other VOC cases. However, the mechanism remains unclear. Here, using a novel geometric deep-learning model, we discovered that the antigenic profile of Omicron RBD is distinct from the prior VOCs, featuring reduced antigenicity in its remodeled receptor binding sites (RBS). To substantiate our deep-learning prediction, we immunized mice with different recombinant RBD variants and found that the Omicron's extensive mutations can lead to a drastically attenuated serologic response with limited neutralizing activity in vivo , while the T cell response remains potent. Analyses of serum cross-reactivity and competitive ELISA with epitope-specific nanobodies revealed that the antibody response to Omicron was reduced across RBD epitopes, including both the variable RBS and epitopes without any known VOC mutations. Moreover, computational modeling confirmed that the RBS is highly versatile with a capacity to further decrease antigenicity while retaining efficient receptor binding. Longitudinal analysis showed that this evolutionary trend of decrease in antigenicity was also found in hCoV229E, a common cold coronavirus that has been circulating in humans for decades. Thus, our study provided unprecedented insights into the reduced antibody titers associated with Omicron infection, revealed a possible trajectory of future viral evolution and may inform the vaccine development against future outbreaks.

Abstract Therapeutic and diagnostic efficacies of numerous small biomolecules and chemical compounds are hampered by the short half-lives. Here we report the development of a repertoire of diverse, high-affinity albumin-nanobodies (Nb HSA ) to facilitate drug delivery. By integrating biophysics, and hybrid structural biology, we have systematically characterized the Nb HSA for albumin binding, mapped the epitopes, and resolved the architecture of a tetrameric Nb-albumin complex. We employed quantitative proteomics for accurate, multiplex Nb pharmacokinetic analysis. Using a humanized albumin mouse model, we found that the Nb HSA has outstanding pharmacokinetics; the most stable Nb HSA has a 771-fold T 1/2 improvement compared with a control Nb. Interestingly, the pharmacokinetics of Nb HSA is related to their biophysical and structural properties. To demonstrate the utility of Nb HSA , we developed a highly stable Nb HSA -hIL-2 cytokine conjugate “Duraleukin” and confirmed its improved anticancer properties than hIL-2 alone. We envision that this high-quality Nb resource will advance research into novel biotherapeutics.

Abstract Vaccine boosters and infection can facilitate the development of SARS-CoV-2 antibodies with improved potency and breadth. Here, we observed super-immunity in a camelid extensively immunized with the SARS-CoV-2 receptor-binding domain (RBD). We rapidly isolated a large repertoire of specific ultrahigh-affinity nanobodies that bind strongly to all known sarbecovirus clades using integrative proteomics. These pan-sarbecovirus nanobodies (psNbs) are highly effective against SARS-CoV and SARS-CoV-2 variants including the Omicron, with the best median neutralization potency at single-digit ng/ml. Structural determinations of 13 psNbs with the SARS-CoV-2 spike or RBD revealed five epitope classes, providing insights into the mechanisms and evolution of their broad activities. The highly evolved psNbs target small, flat, and flexible epitopes that contain over 75% of conserved RBD surface residues. Their potencies are strongly and negatively correlated with the distance of the epitopes to the receptor binding sites. A highly potent, inhalable and bispecific psNb (PiN-31) was developed. Our findings inform on the development of broadly protective vaccines and therapeutics. One sentence summary Successive immunization of SARS-CoV-2 RBD in a camelid enhanced the development of super-immunity and isolation and systematic characterization of a large repertoire of ultrahigh-affinity pan-sarbecovirus single-chain V H H antibodies to understand the evolution of this potent and broad immune response.

Nanobodies (Nbs) have recently emerged as a promising class of antibody fragments for biomedical and therapeutic applications. Despite having marked physicochemical properties, Nbs are derived from camelids and may require "humanization" to improve translational potentials for clinical trials. Here we have systematically analyzed the sequence and structural properties of Nbs based on NGS (next-generation sequencing) databases and high-resolution structures. Our analysis reveals substantial framework diversities and underscores the key differences between Nbs and human Immunoglobulin G (IgG) antibodies. We identified conserved residues that may contribute to enhanced solubility, structural stability, and antigen-binding, providing insights into Nb humanization. Based on big data analysis, we developed " Llamanade '', a user-friendly, open-source to facilitate rational humanization of Nbs. Using Nb sequence as input, Llamanade provides information on the sequence features, model structures, and optimizes solutions to humanize Nbs. The full analysis for a given Nb takes less than a minute on a local computer. To demonstrate the robustness of this tool, we applied it to successfully humanize a cohort of structurally diverse and highly potent SARS-CoV-2 neutralizing Nbs. Llamanade is freely available and will be easily accessible on a web server to support the development of a rapidly expanding repertoire of therapeutic Nbs into safe and effective trials.Camelid Nbs are characterized by small size, excellent pharmacological properties and high flexibility in bioengineering for therapeutic development. However, Nbs are "xeno" antibodies, which require "humanization" to improve their translational potential. Currently, there is a lack of systematic investigation of Nbs to rationally guide humanization. No dedicated software has been developed for this purpose. Here, we report the development of Llamanade , an open-source computational pipeline and the first dedicated software to facilitate rational humanization of Nbs. To subjectively evaluate Llamanade , we used it to humanize a cohort of structurally diverse and ultrapotent antiviral Nbs against SARS-CoV-2. Robust humanization by Llamanade significantly improved the humanness level of Nbs to closely resemble fully human IgGs. Importantly, these highly humanized antiviral Nbs remained excellent solubility and comparably high bioactivities to the non-humanized Nb precursors. We envision that Llamanade will help advance Nb research into therapeutic development.

The essential Mediator (MED) coactivator complex plays a well-understood role in regulation of basal transcription in all eukaryotes, but the mechanism underlying its role in activator-dependent transcription remains unknown. We investigated modulation of metazoan MED interaction with RNA polymerase II (RNA Pol II) by antagonistic effects of the MED26 subunit and the CDK8 kinase module (CKM). Biochemical analysis of CKM-MED showed that the CKM blocks binding of the RNA Pol II carboxy-terminal domain (CTD), preventing RNA Pol II interaction. This restriction is eliminated by nuclear receptor (NR) binding to CKM-MED, which enables CTD binding in a MED26-dependent manner. Cryoelectron microscopy (cryo-EM) and crosslinking-mass spectrometry (XL-MS) revealed that the structural basis for modulation of CTD interaction with MED relates to a large intrinsically disordered region (IDR) in CKM subunit MED13 that blocks MED26 and CTD interaction with MED but is repositioned upon NR binding. Hence, NRs can control transcription initiation by priming CKM-MED for MED26-dependent RNA Pol II interaction.

ABSTRACT Paf1C is a conserved transcription elongation factor that regulates transcription elongation efficiency, facilitates co-transcriptional histone modifications, and impacts molecular processes linked to RNA synthesis, such as polyA site selection. Coupling of the activities of Paf1C to transcription elongation requires its association with RNA polymerase II (Pol II). Mutational studies in yeast identified Paf1C subunits Cdc73 and Rtf1 as important mediators of Paf1C recruitment to Pol II on active genes. While the interaction between Rtf1 and the general elongation factor Spt5 is relatively well-understood, the interactions involving Cdc73 remain to be elucidated. Using an in vivo site-specific protein cross-linking strategy, we identified direct interactions between Cdc73 and two components of the elongation complex, the elongation factor Spt6 and the largest subunit of Pol II. Through in vitro protein binding assays and crosslinking/mass spectrometry, we show that Cdc73 and Spt6 can interact in the absence of additional factors and propose a binding interface. Rapid depletion of Spt6 dissociated Paf1 from chromatin and altered patterns of Paf1C-dependent histone modifications genome-wide. These results reveal previously unrecognized interactions between Cdc73 and the Pol II elongation complex and identify Spt6 as a key factor contributing to Paf1C recruitment to active genes in Saccharomyces cerevisiae .

The number of publications in the field of chemical cross-linking combined with mass spectrometry (XL-MS) to derive constraints for protein three-dimensional structure modeling and to probe protein-protein interactions has largely increased during the last years. As the technique is now becoming routine for in vitro and in vivo applications in proteomics and structural biology there is a pressing need to define protocols as well as data analysis and reporting formats that are generally accepted in the field and that have shown to lead to high-quality results. This first, community-based harmonization study on XL-MS is based on the results of 32 groups participating worldwide. The aim of this paper is to summarize the status quo of XL-MS and to compare and evaluate existing cross-linking strategies. From the results obtained, common protocols will be established. Our study serves as basis for establishing best practice guidelines in the field for conducting cross-linking experiments, performing data analysis, and reporting formats with the ultimate goal of assisting scientists to generate accurate and reproducible XL-MS results.