Abstract Severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV) emerged in 2002 as a highly transmissible pathogenic human betacoronavirus. The viral spike glycoprotein (S) utilizes angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) as a host protein receptor and mediates fusion of the viral and host membranes, making S essential to viral entry into host cells and host species tropism. As SARS-CoV enters host cells, the viral S is believed to undergo a number of conformational transitions as it is cleaved by host proteases and binds to host receptors. We recently developed stabilizing mutations for coronavirus spikes that prevent the transition from the pre-fusion to post-fusion states. Here, we present cryo-EM analyses of a stabilized trimeric SARS-CoV S, as well as the trypsin-cleaved, stabilized S, and its interactions with ACE2. Neither binding to ACE2 nor cleavage by trypsin at the S1/S2 cleavage site impart large conformational changes within stabilized SARS-CoV S or expose the secondary cleavage site, S2′.

Summary The HIV-1 envelope glycoprotein (Env) trimer is decorated with N -linked glycans, which are attached to asparagine residues in the amino acid sequon NxT/S by oligosaccharyltransferases (OST). Artificial glycan “holes” exist when a PNGS is under-occupied on recombinant Env-based vaccines, but not on their viral counterpart. Native-like SOSIP trimers, including clinical candidates, have these artificial holes in the glycan shield that induce strain-specific neutralizing antibodies (NAbs) or non-NAbs. To increase PNGS occupancy, eliminate artificial glycan holes, and mimic the glycosylation of native BG505 Env, we replaced all 12 NxS sequons on the BG505 SOSIP trimer with NxT, thereby increasing the affinity of the sequons for OST. All PNGS, except N133 and N160, were nearly fully occupied on the modified trimer. Occupancy of the N133 site could be increased by changing N133 to NxS, while occupancy of the N160 site could be restored by reverting the nearby N156 sequon to NxS. Hence, OST affinity can influence glycan occupancy when two PNGS are in close proximity. Increasing glycan occupancy should reduce off-target immune responses to artificial glycan holes on vaccine antigens.

Many neutralizing antibodies (nAbs) elicited to ancestral SARS-CoV-2 through natural infection and vaccination generally have reduced effectiveness to SARS-CoV-2 variants. Here we show therapeutic antibody ADG20 is able to neutralize all SARS-CoV-2 variants of concern (VOCs) including Omicron (B.1.1.529) as well as other SARS-related coronaviruses. We delineate the structural basis of this relatively escape-resistant epitope that extends from one end of the receptor binding site (RBS) into the highly conserved CR3022 site. ADG20 can then benefit from high potency through direct competition with ACE2 in the more variable RBS and interaction with the more highly conserved CR3022 site. Importantly, antibodies that are able to target this site generally neutralize all VOCs, albeit with reduced potency against Omicron. Thus, this highly conserved and vulnerable site can be exploited for design of universal vaccines and therapeutic antibodies.

A key barrier to the development of vaccines that induce broadly neutralizing antibodies (bnAbs) against human immunodeficiency virus (HIV) and other viruses of high antigenic diversity is the design of priming immunogens that induce rare bnAb-precursor B cells. The high neutralization breadth of the HIV bnAb 10E8 makes elicitation of 10E8-class bnAbs desirable; however, the recessed epitope within gp41 makes envelope trimers poor priming immunogens and requires that 10E8-class bnAbs possess a long heavy chain complementarity determining region 3 (HCDR3) with a specific binding motif. We developed germline-targeting epitope scaffolds with affinity for 10E8-class precursors and engineered nanoparticles for multivalent display. Scaffolds exhibited epitope structural mimicry and bound bnAb-precursor human naive B cells in ex vivo screens, protein nanoparticles induced bnAb-precursor responses in stringent mouse models and rhesus macaques, and mRNA-encoded nanoparticles triggered similar responses in mice. Thus, germline-targeting epitope scaffold nanoparticles can elicit rare bnAb-precursor B cells with predefined binding specificities and HCDR3 features.

Abstract Two-component, self-assembling nanoparticles represent a versatile platform for multivalent presentation of viral antigens. Nanoparticles of different sizes and geometries can be designed and combined with appropriate antigens to fit the requirements of different immunization strategies. Here, we describe detailed antigenic, structural, and functional characterization of computationally designed tetrahedral, octahedral, and icosahedral nanoparticle immunogens displaying trimeric HIV envelope glycoprotein (Env) ectodomains. Env trimers, based on subtype A (BG505) or consensus group M (ConM) sequences and engineered with SOSIP stabilizing mutations, were fused to the underlying trimeric building block of each nanoparticle. Initial screening yielded one icosahedral and two tetrahedral nanoparticle candidates, capable of presenting twenty or four copies of the Env trimer. A number of analyses, including detailed structural characterization by cryo-EM, demonstrated that the nanoparticle immunogens possessed the intended structural and antigenic properties. Comparing the humoral responses elicited by ConM-SOSIP trimers presented on a two-component tetrahedral nanoparticle to the corresponding soluble protein revealed that multivalent presentation increased the proportion of the overall antibody response directed against autologous neutralizing Ab epitopes present on the ConM-SOSIP trimers. Author Summary Protein constructs based on soluble ectodomains of HIV glycoprotein (Env) trimers are the basis of many current HIV vaccine platforms. Multivalent antigen display is one strategy applied to improve the immunogenicity of different subunit vaccine candidates. Here, we describe and comprehensively evaluate a library of de novo designed, protein nanoparticles of different geometries for their ability to present trimeric Env antigens. We found three nanoparticle candidates that can stably incorporate model Env trimer on their surface while maintaining its structure and antigenicity. Immunogenicity of the designed nanoparticles is assessed in vitro and in vivo . In addition to introducing a novel set of reagents for multivalent display of Env trimers, this work provides both guiding principles and a detailed experimental roadmap for the generation, characterization, and optimization of Env-presenting, self-assembling nanoparticle immunogens.

SUMMARY The structural integrity of vaccine antigens is critical, as antigen degradation in vivo could eliminate neutralizing epitopes and create competing B cell responses against irrelevant breakdown products. Using FRET imaging and imaging zymography, we found that protease activity and antigen breakdown are spatially heterogeneous in lymph nodes. Following protein immunization, antigens are rapidly degraded in the subcapsular sinus, paracortex, and interfollicular regions of the tissue. By contrast, the follicles and follicular dendritic cell (FDC) networks exhibit low protease activity and antigen degradation rates. Immunization regimens targeting antigen rapidly to FDCs led to germinal centers (GCs) where responses to intact antigen were highly dominant, while traditional bolus immunizations led to weaker GC responses where more GC B cells bound to breakdown products than intact antigen. Thus, spatially-compartmentalized antigen proteolysis impacts humoral immunity and can be exploited to enhance vaccine-induced production of antibody responses against key pathogen structural epitopes.

ABSTRACT The ability to efficiently isolate antigen-specific B cells in high throughput will greatly accelerate the discovery of therapeutic monoclonal antibodies ( mAbs ) and catalyze rational vaccine development. Traditional mAb discovery is a costly and labor-intensive process, although recent advances in single-cell genomics using emulsion microfluidics allow simultaneous processing of thousands of individual cells. Here we present a streamlined method for isolation and analysis of large numbers of antigen-specific B cells, including next generation antigen barcoding and an integrated computational framework for B cell multi-omics. We demonstrate the power of this approach by recovering thousands of antigen-specific mAbs, including the efficient isolation of extremely rare precursors of VRC01-class and IOMA-class broadly neutralizing HIV mAbs.

Abstract Rationally designed protein subunit vaccines are being developed for a variety of viruses including influenza, RSV, SARS-CoV-2 and HIV. These vaccines are based on stabilized versions of the primary targets of neutralizing antibodies on the viral surface, namely viral fusion glycoproteins. While these immunogens display the epitopes of potent neutralizing antibodies, they also present epitopes recognized by non or weakly neutralizing (“off-target”) antibodies. Using our recently developed electron microscopy epitope mapping approach, we have uncovered a phenomenon wherein off-target antibodies elicited by HIV trimer subunit vaccines cause the otherwise highly stabilized trimeric proteins to degrade into cognate protomers. Further, we show that these protomers expose an expanded suite of off-target epitopes, normally occluded inside the prefusion conformation of trimer, that subsequently elicit further off-target antibody responses. Our study provides critical insights for further improvement of HIV subunit trimer vaccines for future rounds of the iterative vaccine design process.

Abstract One of the rate-limiting steps in analyzing immune responses to vaccines or infections is the isolation and characterization of monoclonal antibodies. Here, we present a hybrid structural and bioinformatic approach to directly assign the heavy and light chains, identify complementarity-determining regions and discover sequences from cryoEM density maps of serum-derived polyclonal antibodies bound to an antigen. When combined with next generation sequencing of immune repertoires we were able to specifically identify clonal family members, synthesize the monoclonal antibodies and confirm that they interact with the antigen in a manner equivalent to the corresponding polyclonal antibodies. This structure-based approach for identification of monoclonal antibodies from polyclonal sera opens new avenues for analysis of immune responses and iterative vaccine design. Graphical Abstract One Sentence Summary CryoEM and next generation sequencing were used to identify monoclonal antibodies elicited by HIV Env vaccine candidates.

Abstract Mapping the epitope specificities of polyclonal serum is critical to rational vaccine design. However, most high-resolution mapping approaches involve isolating and characterizing individual monoclonal antibodies, which incompletely defines the full polyclonal response. Here we use two complementary approaches to directly map the specificities of the neutralizing and binding antibodies of polyclonal anti-HIV-1 sera from rabbits immunized with BG505 Env SOSIP trimers. To map the neutralizing specificity, we used mutational antigenic profiling to determine how all amino-acid mutations in Env affected viral neutralization. To map the binding specificity, we used electron microscopy polyclonal epitope mapping (EMPEM) to directly visualize the Fabs in serum bound to Env trimers. Mutational antigenic profiling showed that the dominant neutralizing specificities were the C3/V5 and/or 241/289 glycan hole epitopes, which were generally only a subset of the more diverse binding specificities mapped with EMPEM. Additional differences between binding and neutralization reflected antigenicity differences between virus and soluble Env trimer. Further, mutational antigenic profiling was able to refine epitope specificity in residue-level detail directly from sera, revealing subtle differences across rabbits. Together, mutational antigenic profiling and EMPEM allow for a holistic view of the binding and neutralizing specificity of polyclonal sera and could be used to finely evaluate and guide vaccine design.