ABSTRACT Memory B cell reserves can generate protective antibodies against repeated SARS-CoV-2 infections, but with an unknown reach from original infection to antigenically drifted variants. We charted memory B cell receptor-encoded monoclonal antibodies (mAbs) from 19 COVID-19 convalescent subjects against SARS-CoV-2 spike (S) and found 7 major mAb competition groups against epitopes recurrently targeted across individuals. Inclusion of published and newly determined structures of mAb-S complexes identified corresponding epitopic regions. Group assignment correlated with cross-CoV-reactivity breadth, neutralization potency, and convergent antibody signatures. mAbs that competed for binding the original S isolate bound differentially to S variants, suggesting the protective importance of otherwise-redundant recognition. The results furnish a global atlas of the S-specific memory B cell repertoire and illustrate properties conferring robustness against emerging SARS-CoV-2 variants.

Eliciting antibodies to surface-exposed viral glycoproteins can lead to protective responses that ultimately control and prevent future infections. Targeting functionally conserved epitopes may help reduce the likelihood of viral escape and aid in preventing the spread of related viruses with pandemic potential. One such functionally conserved viral epitope is the site to which a receptor must bind to facilitate viral entry. Here, we leveraged rational immunogen design strategies to focus humoral responses to the receptor binding motif (RBM) on the SARS-CoV-2 spike. Using glycan engineering and epitope scaffolding, we find an improved targeting of the serum response to the RBM in context of SARS-CoV-2 spike imprinting. Furthermore, we observed a robust SARS-CoV-2-neutralizing serum response with increased potency against related sarbecoviruses, SARS-CoV, WIV1-CoV, RaTG13-CoV, and SHC014-CoV. Thus, RBM focusing is a promising strategy to elicit breadth across emerging sarbecoviruses and represents an adaptable design approach for targeting conserved epitopes on other viral glycoproteins.SARS-CoV-2 immune focusing with engineered immunogens.

ABSTRACT The main protease (M pro ) of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), the cause of coronavirus disease (COVID-19), is an ideal target for pharmaceutical inhibition. It is required for infection, it cleaves the viral polyprotein at multiple sites, and it is conserved among coronaviruses and distinct from human proteases. We present crystal structures of SARS-CoV-2 M pro bound to two viral substrate peptides. The structures show how M pro recognizes substrates and how the peptide sequence can dictate catalytic efficiency by influencing the position of the scissile bond. One peptide, constituting the junction between viral non-structural proteins 8 and 9 (nsp8/9), has P1’ and P2’ residues that are unique among SARS-CoV-2 cleavage sites but conserved among nsp8/9 junctions in coronaviruses. M pro cleaves nsp8/9 inefficiently, and amino acid substitutions at P1’ or P2’ can enhance catalysis. Visualization of M pro with intact substrates provides new templates for antiviral drug design and suggests that the coronavirus lifecycle selects for finely tuned substrate-dependent catalytic parameters.

ABSTRACT Antibody immunodominance is the asymmetric elicitation of responses against protein antigens. For influenza hemagglutinin (HA), antibody responses often target variable regions on HA and do not provide lasting protection. Next-generation influenza vaccines should elicit antibodies targeting conserved regions such as the receptor binding site (RBS). Understanding how presenting an epitope on a rationally-designed immunogen influences immune responses could help achieve this goal. Here, we compared an engineered RBS-enriched immunogen and its non-enriched counterparts to characterize RBS-directed responses. We found that enriching the RBS-epitope on a single immunogen preferentially expands RBS-directed responses relative to a cocktail of the non-epitope-enriched immunogens. Single B cell analyses showed a genetically diverse RBS-directed population that structural characterization showed engagement of the RBS with canonical features shared with both its receptor and human broadly neutralizing antibodies. These data show how epitope-enriched immunogens can expand responses to a conserved viral site, while maintaining genetic and structural diversity.

Abstract The CC chemokine receptor 6 (CCR6) is a potential target for chronic inflammatory diseases such as psoriasis and inflammatory bowel disease. Previously, we reported an active CCR6 structure in complex with its cognate chemokine CCL20, revealing the molecular basis of CCR6 activation mediated by CCL20. Here, we present two inactive CCR6 structures determined by cryo-EM in ternary complexes with different allosteric antagonists, CCR6/SQA1/OXM1 and CCR6/SQA1/OXM2. OXM1 and OXM2 are oxomorpholine (OXM) analogues which are highly selective for CCR6 and disrupt the molecular network critical for receptor activation by binding to an extracellular allosteric pocket within the transmembrane domain. A U-shaped conformation stabilized by intramolecular interactions was revealed by structural and NMR studies of active OXM analogues. SQA1 is a squaramide (SQA) derivative with close-in analogues that were previously reported to be antagonists of CCR6 and other chemokine receptors. Our structures reveal an intracellular pocket occupied by SQA1 that overlaps with the G protein binding site. In addition, SQA1 stabilizes a closed conformation of the intracellular pocket, a hallmark of the inactive state of GPCRs. Minimal communication was found between the two allosteric pockets. Overall, our work provides new evidence of the versatility of GPCR antagonism by small molecules, complementing previous knowledge on CCR6 activation, and sheds light on drug discovery approaches to target CCR6 for autoimmune disorders.

Abstract The first encounter with influenza virus biases later immune responses. This “immune imprinting”, formerly from infection within a few years of birth, is in the U.S. now largely from immunization with a quadrivalent, split vaccine (IIV4). In a pilot study of IIV4 imprinting, we characterized, by single-B-cell cultures, NextGen sequencing, and plasma antibody proteomics, the primary antibody responses to influenza in two infants during their first two years of seasonal influenza vaccination. One infant, who received only a single vaccination in Year 1, contracted an influenza B (IBV) infection between the two years, allowing us to compare imprinting by infection and vaccination. That infant had a shift in hemagglutinin (HA)-reactive B-cell specificity from largely influenza A (IAV)-specific in Year 1 to IBV-specific in Year 2, both before and after vaccination. HA-reactive B cells from the other infant maintained a more evenly distributed specificity. In Year 2, class-switched HA-specific B cell IGHV somatic hypermutation (SHM) levels reached average levels seen in adults. The HA-reactive plasma antibody repertoires of both infants comprised a relatively small number of antibody clonotypes, with one or two very abundant clonotypes. Thus, after the Year 2 boost, both infants had overall B cell profiles that resembled those of adult controls. Importance Influenza virus is a moving target for the immune system. Variants emerge that escape protection from antibodies elicited by a previously circulating variant (“antigenic drift”). The immune system usually responds to a drifted influenza virus by mutating existing antibodies rather than by producting entirely new ones. Thus, immune memory of the earliest influenza exposure has a major influence on later responses to infection or vaccination (“immune imprinting”). In the many studies of influenza immunity in adult subjects, imprinting has been from an early infection, since only in the past two decades have infants received influenza immunizations. The work reported in this paper is a pilot study of imprinting in two infants by the flu vaccine, which they received before experiencing an influenza infection. The results suggest that a quadrivalent (four-subtype) vaccine may provide an immune imprint less dominated by one subtype than does a monovalent infection.