A DNA nanostructure can be used to create a multi-enzyme complex in which an artificial swinging arm facilitates hydride transfer between two coupled dehydrogenases. Swinging arms are a key functional component of multistep catalytic transformations in many naturally occurring multi-enzyme complexes1. This arm is typically a prosthetic chemical group that is covalently attached to the enzyme complex via a flexible linker, allowing the direct transfer of substrate molecules between multiple active sites within the complex2,3,4. Mimicking this method of substrate channelling outside the cellular environment requires precise control over the spatial parameters of the individual components within the assembled complex. DNA nanostructures can be used to organize functional molecules with nanoscale precision5,6,7 and can also provide nanomechanical control8,9,10,11. Until now, protein–DNA assemblies12 have been used to organize cascades of enzymatic reactions by controlling the relative distance and orientation of enzymatic components13,14,15,16 or by facilitating the interface between enzymes/cofactors and electrode surfaces17,18. Here, we show that a DNA nanostructure can be used to create a multi-enzyme complex in which an artificial swinging arm facilitates hydride transfer between two coupled dehydrogenases. By exploiting the programmability of DNA nanostructures, key parameters including position, stoichiometry and inter-enzyme distance can be manipulated for optimal activity.

In Brief Herein, we evaluated the immunogenicity of several BG505 SOSIP-based HIV Env immunogens in the rhesus macaque animal model using a combination of serology and biophysical approaches. We applied electron cryo-microscopy for high-resolution mapping of elicited polyclonal antibody responses, which provided detailed insights into the binding modes of the most common classes of antibodies elicited by BG505 SOSIP immunogens as well as the critical differences in immunogenicity that can occur as a consequence of engineered stabilizing mutations and partial glycan occupancy at different sites. Summary Engineered ectodomain trimer immunogens based on BG505 envelope glycoprotein are widely utilized as components of HIV vaccine development platforms. In this study, we used rhesus macaques to evaluate the immunogenicity of several stabilized BG505 SOSIP constructs both as free trimers and presented on a nanoparticle. We applied a cryoEM-based method for high-resolution mapping of polyclonal antibody responses elicited in immunized animals (cryoEMPEM). Mutational analysis coupled with neutralization assays were used to probe the neutralization potential at each epitope. We demonstrate that cryoEMPEM data can be used for rapid, high-resolution analysis of polyclonal antibody responses without the need for monoclonal antibody isolation. This approach allowed to resolve structurally distinct classes of antibodies that bind overlapping sites. In addition to comprehensive mapping of commonly targeted neutralizing and non-neutralizing epitopes in BG505 SOSIP immunogens, our analysis revealed that epitopes comprising engineered stabilizing mutations and of partially occupied glycosylation sites can be immunogenic. Graphical abstract

SUMMARY The preservation of antigen spatial conformation is crucial for inducing the high-quality neutralizing responses. Although the receptor-binding domain (RBD) antigen in SARS-CoV-2 vaccines shows satisfactory conformation preservation, it remains susceptible to the immune escape. Therefore, exploring conformational epitopes beyond the RBD region to achieve cross-neutralization becomes an attractive topic. In this study, we used a DNA prime-protein boost regimen to obtain potent humoral responses. Further analysis revealed that boosting antibody responses targeting conformational non-RBD region is crucial for enhancing cross-neutralization against the Wuhan-01, Delta and Omicron subvariants. Via analyzing the distribution of conformational epitopes, and quantifying epitope-specific binding antibodies, we verified a positive correlation between the proportion of binding antibodies against the N-terminal domain (NTD) supersite (a conformational non-RBD epitope) and SARS-CoV-2 neutralization potency. The current work highlights the importance of conformational non-RBD-specific binding antibodies in mediating viral cross-neutralization and provides a new insight in overcoming the immune escape of SARS-CoV-2 variants.

Extensive studies with subtype A BG505-derived HIV envelope glycoprotein (Env) SOSIP immunogens have revealed that the dominant autologous neutralizing site in rabbits is located in an exposed region of the heavily glycosylated trimer that lacks potential N-linked glycosylation sites at positions 230, 241, and 289. The Env derived from B41, a subtype B virus, shares a glycan hole centered on positions 230 and 289. BG505 and B41 SOSIP immunogens were combined to test whether immunization in rabbits could induce broader Tier 2 neutralizing responses to the common glycan hole shared between BG505 and B41. Here we isolated autologous neutralizing antibodies (nAbs) that were induced by immunization with B41 SOSIP alone, as well as B41 and BG505 co-immunization, and describe their structure in complex with the B41 SOSIP trimer. Our data suggest that distinct autologous nAb lineages are induced by BG505 and B41 immunogens, even when both immunogens were administered together. In contrast to previously described BG505 glycan hole antibodies, the B41-specific nAbs accommodate the highly conserved N241 glycan (>97% conserved), which is present in B41. Single particle cryo-electron microscopy (cryoEM) studies confirmed that B41 and BG505-specific nAbs bind to overlapping glycan hole epitopes. In an attempt to broaden the reactivity of a B41-specific nAb, mutations in the BG505 glycan hole epitope guided by our high-resolution data only recovered partial binding. Overall, designing prime-boost immunogens to increase the breath of nAb responses directed at glycan holes epitopes remains challenging even when the typically immunodominant glycan holes despite overlap with different Envs.

The emergence of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) and its Omicron subvariants drastically amplifies transmissibility, infectivity, and immune escape, mainly due to their resistance to most neutralizing antibodies. Thus, exploring the mechanisms underlying antibody evasion is crucial. Although the full-length native form of antibody, immunoglobulin G (IgG), offers valuable insights into the neutralization, structural investigations primarily focus on the fragment of antigen-binding (Fab). Here, we employ single-particle cryo-electron microscopy (cryo-EM) to characterize a W328-6H2 antibody, in its native IgG form complexed with severe acute respiratory syndrome (SARS), severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 wild-type (WT) and Omicron variant BA.1 spike protein (S). Three high-resolution structures reveal that the full-length IgG forms a centered head-to-head dimer of trimer when binds fully stoichiometrically with both SARS and WT S, while adopting a distinct offset configuration with Omicron BA.1 S. Combined with functional assays, our results suggest that, beyond the binding affinity between the RBD epitope and Fab, the higher-order architectures of S trimer and full-length IgG play an additional role in neutralization, enriching our understanding of enhanced neutralization by SARS-CoV-2 antibodies. This study demonstrates that a single antibody exhibits distinct binding modes with SARS-CoV-2 WT and Omicron variants, correlating with neutralization loss. The underlying mechanisms offer insights into enhanced neutralization.

Summary Influenza A virus subtype H2N2, which caused the 1957 influenza pandemic, remains a global threat. A recent phase I clinical trial investigating a ferritin nanoparticle displaying H2 hemagglutinin in H2-naïve and H2-exposed adults. Therefore, we could perform comprehensive structural and biochemical characterization of immune memory on the breadth and diversity of the polyclonal serum antibody response elicited after H2 vaccination. We temporally map the epitopes targeted by serum antibodies after first and second vaccinations and show previous H2 exposure results in higher responses to the variable head domain of hemagglutinin while initial responses in H2-naïve participants are dominated by antibodies targeting conserved epitopes. We use cryo-EM and monoclonal B cell isolation to describe the molecular details of cross-reactive antibodies targeting conserved epitopes on the hemagglutinin head including the receptor binding site and a new site of vulnerability deemed the medial junction. Our findings accentuate the impact of pre-existing influenza exposure on serum antibody responses. Highlights Serum Abs after first H2-F vaccination in H2-exposed donors bound variable HA head epitopes Serum Abs after first H2-F vaccination in H2-naïve donors bound conserved HA head and stem epitopes RBS-targeting VH1-69 cross-reactive antibodies were induced in H2-naïve individuals The medial junction is a previously uncharacterized conserved epitope on the HA head