Conventional approaches to isolate and characterize nanobodies are laborious and cumbersome. Here we combine phage display, multivariate enrichment, and novel sequence analysis techniques to annotate an entire nanobody repertoire from an immunized alpaca. We combine this approach with a streamlined screening strategy to identify numerous anti-SARS-CoV-2 nanobodies, and use neutralization assays and Hydrogen/Deuterium exchange coupled to mass spectrometry (HDX-MS) epitope mapping to characterize their potency and specificity. Epitope mapping revealed that the binding site is a key determinant of neutralization potency, rather than affinity alone. The most potent nanobodies bind to the receptor binding motif of the RBD, directly preventing interaction with the host cell receptor ACE2, and we identify two exceptionally potent members of this category (with monomeric IC50s around 13 and 16 ng/ml). Other nanobodies bind to a more conserved epitope on the side of the RBD, and are able to potently neutralize the SARS-CoV-2 founder virus (42 ng/ml), the beta variant (B.1.351/501Y.V2) (35 ng/ml), and also cross-neutralize the more distantly related SARS-CoV-1 (0.46 μg/ml). The approach presented here is well suited for the screening of phage libraries to identify functional nanobodies for various biomedical and biochemical applications.

Abstract PARP15 is a mono-ADP-ribosyltransferase with unknown functions. Its evolutionary relationship with PARP14 suggests roles in antiviral defense; its ability to modify RNA and localization to stress granules point to functions in the regulation of translation. PARP15 also modifies itself and other proteins using its ADP-ribosyltransferase (ART) domain and contains two macrodomains predicted to bind ADP-ribosyl on targets. We used biochemical and biophysical analysis to study how the ADP-ribosyltransferase activity of PARP15 is regulated. Here we show that the catalytic domain of PARP15 dimerizes with mid-nanomolar affinity, forming the same dimer interface in solution that had already been captured by X-ray crystallography of the domain. Furthermore, we show that the formation of dimers is a prerequisite for catalytic activity and that monomeric mutant variants of the domain were catalytically inactive. Our findings suggest a regulatory mechanism by which dimerization is linked to either target engagement or placement of a catalytic residue, rather than NAD+ co-substrate binding, and by which the two protomers of the dimer operate independent of one another. Together, our results uncover a novel mechanism of regulation in a PARP family enzyme, which might inspire new avenues of pharmacological intervention.

Abstract Streptococcus pyogenes is known to cause both mucosal and systemic infections in humans. In this study, we used a combination of quantitative and structural mass spectrometry techniques to determine the composition and structure of the interaction network formed between human plasma proteins and the surface of different S. pyogenes serotypes. Quantitative network analysis revealed that S. pyogenes form serotype-specific interaction networks that are highly dependent on the domain arrangement of the surface-attached M protein. Subsequent structural mass spectrometry analysis and computational modelling on one of the M proteins, M28 revealed that the network structure changes across different host microenvironments. We report that M28 binds secretory IgA via two separate binding sites with high affinity in saliva. During vascular leakage mimicked by increasing plasma concentrations in saliva, the binding of secretory IgA was replaced by binding of monomeric IgA and C4BP. This indicates that an upsurge of C4BP in the local microenvironment due to damage of the mucosal membrane drives binding of C4BP and monomeric IgA to M28. The results suggest that S. pyogenes has evolved to form microenvironment-dependent host-pathogen protein complexes to combat the human immune surveillance during both mucosal and systemic infections.

Abstract Streptococcus pyogenes is a human-specific bacterial pathogen that produces several proteins that exploit the plasminogen (PLG)-plasmin (PLM) fibrinolysis system to dismantle blood clots and to facilitate spread and survival within the host. In this study, we explored the interactions between streptolysin O (SLO), a key cytolytic toxin produced by S. pyogenes , and human plasma proteins using affinity-enrichment mass spectrometry. SLO binds specifically to PLG, and this interaction accelerates the conversion of PLG to PLM by tissue-type plasminogen activator (tPA). To further investigate the molecular detail of the PLG-SLO interaction, we employed hydrogen/deuterium exchange mass spectrometry combined with targeted cross-linking mass spectrometry, uncovering that SLO binding induces local conformational shifts in PLG. These changes lead to the formation of a stabilized intermediate PLG-SLO complex that becomes significantly more sensitive to proteolytic processing by tPA. Our findings reveal a conserved moonlighting pathomechanistic role for SLO extending beyond the well characterized cytolytic activity. Additionally, the work underscores the diversity of functional proteomics in identifying and clarifying new host-pathogen interactions.

Abstract A small, nucleotide-binding domain, the ATP-cone, is found at the N-terminus of most ribonucleotide reductase (RNR) catalytic subunits. By binding ATP or dATP it regulates the enzyme activity of all classes of RNR. Functional and structural work on aerobic RNRs has revealed a plethora of ways in which dATP inhibits activity by inducing oligomerization and preventing a productive radical transfer from one subunit to the active site in the other. Anaerobic RNRs, on the other hand, store a stable glycyl radical next to the active site and the basis for their dATP-dependent inhibition is completely unknown. We present biochemical, biophysical and structural information on the effects of ATP and dATP binding to the anaerobic RNR from Prevotella copri . The enzyme exists in a dimer-tetramer equilibrium biased towards dimers when two ATP molecules are bound to the ATP-cone and tetramers when two dATP molecules are bound. In the presence of ATP, P. copri NrdD is active and has a fully ordered glycyl radical domain (GRD) in one monomer of the dimer. Binding of dATP to the ATP-cone results in loss of activity and increased dynamics of the GRD, such that it can not be detected in the cryo-EM structures. The glycyl radical is formed even in the dATP-bound form, but the substrate does not bind. The structures implicate a complex network of interactions in activity regulation that involve the GRD more than 30 Å away from the dATP molecules, the allosteric substrate specificity site and a conserved but previously unseen flap over the active site. Taken together, the results suggest dATP inhibition in anaerobic RNRs acts by increasing the flexibility of the flap and GRD, thereby preventing both substrate binding and radical mobilisation.

Specific mutations in Apolipoprotein A-I (ApoA-I) of high-density lipoprotein (HDL) are responsible for a late-onset systemic amyloidosis. Carriers do not exhibit increased cardiovascular disease risk despite reduced levels of ApoA-I/ HDL-cholesterol. To explain this paradox, we show that the HDL particle profile of L75P and L174S patients presents a higher relative abundance of the 8.4 nm vs 9.6 nm particles, and that serum from patients, as well as reconstituted 8.4 and 9.6 nm HDL particles (rHDL), possess increased capacity to catalyze cholesterol efflux from macrophages. Synchrotron radiation circular dichroism and hydrogen-deuterium exchange revealed that the variants in 8.4 nm rHDL have altered secondary structure composition and display a more flexible binding to lipids compared to their native counterpart. The reduced HDL-cholesterol levels of patients carrying ApoA-I amyloidogenic variants are thus balanced by higher proportion of small, dense HDL particles and better cholesterol efflux due to altered, region-specific protein structure dynamics.### Competing Interest Statement

Most individuals maintain circulating antibodies against various pathogenic bacteria as a consequence of previous exposures. However, it remains unclear to what extent these antibodies contribute to host protection. This knowledge gap is linked to the need for better methods to characterize antimicrobial polyclonal antibodies, including their antigen and epitope repertoires, subclass distribution, glycosylation status, and effector functions. Here, we showcase a generic mass spectrometry-based strategy that couples systems antigenomics and systems serology to characterize human antibodies directly in clinical samples. The method is based on automated affinity purification workflows coupled to an integrated suite of high-resolution MS-based quantitative, structural- and glyco-proteomics readouts. We focused on Streptococcus pyogenes (Group A Streptococcus; GAS), a major human pathogen still awaiting an approved vaccine. Our methodology reveals that both healthy and GAS infected individuals have circulating Immunoglobulin G (IgG) against a subset of genomically conserved streptococcal proteins, including numerous toxins and virulence factors. The antigen repertoire targeted by these antibodies was relatively constant across healthy individuals, but considerably changed in GAS bacteremia. Detailed analysis of the antigen-specific IgG indicates inter-individual variation regarding titers, subclass distributions, and Fc-signaling capacity, but not in epitope and Fc-glycosylation patterns. Importantly, we show that the IgG subclass has a major impact on the ability of GAS-antibodies to trigger immune signaling, in an antigen- and Fc receptor- specific fashion. Overall, these results uncover exceeding complexity in the properties of GAS-specific IgG, and showcase our methodology as high-throughput and flexible workflow to understand adaptive immune responses to bacterial pathogens.

An important element of antibody-guided vaccine design is the use of neutralizing/opsonic monoclonal antibodies to define protective epitopes in their native three-dimensional conformation. Here, we demonstrate a multi-modal mass spectrometry-based strategy for in-depth characterization of antigen-antibody complexes to enable the identification of protective epitopes using the cytolytic exotoxin Streptolysin O (SLO) from Streptococcus pyogenes as a showcase. We first discovered a monoclonal antibody with an undisclosed sequence capable of neutralizing SLO-mediated cytolysis. The amino acid sequence of both the antibody light and the heavy chain was determined using mass spectrometry-based de novo sequencing, followed by chemical crosslinking mass spectrometry to generate distance constraints between the antibody fragment antigen-binding region and SLO. Subsequent integrative computational modeling revealed a discontinuous epitope located in Domain 3 of SLO that was experimentally validated by hydrogen-deuterium exchange mass spectrometry and reverse-engineering of the targeted epitope. The results show that the antibody inhibits SLO-mediated cytolysis by binding to a discontinuous epitope in Domain 3, likely preventing oligomerization and subsequent secondary structure changes critical for pore-formation. The epitope is highly conserved across >98% of the characterized S. pyogenes isolates, making it an attractive target for antibody-based therapy and vaccine design against severe streptococcal infections.