Lyme disease is a tick-borne, multisystem infection caused by the spirochete, Borreliella burgdorferi. Although antibodies have been implicated in the resolution of Lyme disease, the specific B cell epitopes targeted during human infections remain largely unknown. In this study, we characterized and defined the structural epitope of a patient-derived bactericidal monoclonal IgG (B11) against Outer surface protein C (OspC), a homodimeric lipoprotein necessary for B. burgdorferi tick-mediated transmission and early-stage colonization of vertebrate hosts. High-resolution epitope mapping was accomplished through hydrogen deuterium exchange-mass spectrometry (HDX-MS) and X-ray crystallography. Structural analysis of B11 Fab-OspCA complexes revealed the B11 Fabs associated in a 1:1 stoichiometry with the lateral faces of OspCA homodimers such that the antibodies are essentially positioned perpendicular to the spirochete's outer surface. B11's primary contacts reside within the membrane proximal regions of a-helices 1 and 6 and adjacent loops 5 and 6 in one OspCA monomer. In addition, B11 spans the OspCA dimer interface, engaging opposing a-helix 1', a-helix 2, and loop 2-3 in the second OspCA monomer. The B11-OspCA structure is reminiscent of the recently solved mouse transmission blocking monoclonal IgG B5 in complex with OspCA, indicating a mode of engagement with OspC that is conserved across species. In conclusion, we provide the first detailed insight into the interaction between a functional human antibody and an immunodominant Lyme disease antigen long considered an important vaccine target.

ABSTRACT Camelid-derived, single-domain antibodies (V H Hs) have proven to be extremely powerful tools in defining the antigenic landscape of immunologically heterogeneous surface proteins. In this report, we generated a phage-displayed V H H library directed against the candidate Lyme disease vaccine antigen, Outer surface protein A (OspA). Two alpacas were immunized with recombinant OspA serotype 1 (ST1) from Borrelia burgdorferi sensu stricto strain B31, in combination with the canine vaccine RECOMBITEK ® Lyme containing lipidated OspA. The phage library was subjected to two rounds of affinity enrichment (“panning”) against recombinant OspA, yielding 21 unique V H Hs within two epitope bins, as determined through competition ELISAs with a panel of OspA-specific human monoclonal antibodies. Epitope refinement was conducted by hydrogen exchange-mass spectrometry (HX-MS). Six of the monovalent V H Hs were expressed as human IgG1-Fc fusion proteins and shown to have functional properties associated with protective human monoclonal antibodies, including B. burgdorferi agglutination, outer membrane damage, and complement-dependent borreliacidal activity. The V H Hs displayed unique reactivity profiles with the seven OspA serotypes associated with B. burgdorferi genospecies in the United States and Europe consistent with there being conserved epitopes across OspA serotypes that should be considered when designing and evaluating multivalent Lyme disease vaccines.

Abstract Lyme disease is a tick-borne, multisystem infection caused by the spirochete Borreliella burgdorferi. Although Abs have been implicated in the resolution of Lyme disease, the specific B cell epitopes targeted during human infections remain largely unknown. In this study, we characterized and defined the structural epitope of a patient-derived bactericidal monoclonal IgG (B11) against outer surface protein C (OspC), a homodimeric lipoprotein necessary for B. burgdorferi tick-mediated transmission and early-stage colonization of vertebrate hosts. High-resolution epitope mapping was accomplished through hydrogen deuterium exchange–mass spectrometry and X-ray crystallography. Structural analysis of B11 Fab-OspCA complexes revealed the B11 Fabs associated in a 1:1 stoichiometry with the lateral faces of OspCA homodimers such that the Abs are essentially positioned perpendicular to the spirochete’s outer surface. B11’s primary contacts reside within the membrane-proximal regions of α-helices 1 and 6 and adjacent loops 5 and 6 in one OspCA monomer. In addition, B11 spans the OspCA dimer interface, engaging opposing α-helix 1′, α-helix 2′, and loop 2–3′ in the second OspCA monomer. The B11-OspCA structure is reminiscent of the recently solved mouse transmission blocking monoclonal IgG B5 in complex with OspCA, indicating a mode of engagement with OspC that is conserved across species. In conclusion, we provide a detailed insight into the interaction between a functional human Ab and an immunodominant Lyme disease Ag long considered an important vaccine candidate.