SUMMARY The success of nucleoside-modified mRNAs in lipid nanoparticles (mRNA-LNP) as COVID-19 vaccines heralded a new era of vaccine development. For HIV-1, multivalent envelope (Env) trimer protein nanoparticles are superior immunogens compared to trimers alone for priming of broadly neutralizing antibody (bnAb) B cell lineages. The successful expression of complex multivalent nanoparticle immunogens with mRNAs has not been demonstrated. Here we show that mRNAs can encode antigenic Env trimers on ferritin nanoparticles that initiate bnAb precursor B cell expansion and induce serum autologous tier 2 neutralizing activity in bnAb precursor VH + VL knock-in mice. Next generation sequencing demonstrated acquisition of critical mutations, and monoclonal antibodies that neutralized heterologous HIV-1 isolates were isolated. Thus, mRNA- LNP can encode complex immunogens and are of use in design of germline-targeting and sequential boosting immunogens for HIV-1 vaccine development.

Abstract A major goal of HIV-1 vaccine development is induction of broadly neutralizing antibodies (bnAbs). While success has been achieved in initiating bnAb B cell lineages, design of boosting immunogens that select for bnAb B cell receptors with improbable mutations required for bnAb affinity maturation remains difficult. Here we demonstrate a process for designing boosting immunogens for a V3-glycan bnAb B cell lineage. The immunogens induced affinity-matured antibodies by selecting for functional improbable mutations in bnAb precursor knock-in mice. Moreover, we show similar success in prime and boosting with nucleoside-modified mRNA-encoded HIV-1 envelope trimer immunogens, with improved selection by mRNA immunogens of improbable mutations required for bnAb binding to key envelope glycans. These results demonstrate the ability of both protein and mRNA prime-boost immunogens for selection of rare B cell lineage intermediates with neutralizing breadth after bnAb precursor expansion, a key proof-of concept and milestone towards development of an HIV vaccine. One-Sentence Summary A vaccine strategy for selecting key rare antibody mutations is shown to induce HIV broadly neutralizing antibodies in mice.

ABSTRACT Coronavirus vaccines that are highly effective against SARS-CoV-2 variants are needed to control the current pandemic. We previously reported a receptor-binding domain (RBD) sortase A-conjugated ferritin nanoparticle (RBD-scNP) vaccine that induced neutralizing antibodies against SARS-CoV-2 and pre-emergent sarbecoviruses and protected monkeys from SARS-CoV-2 WA-1 infection. Here, we demonstrate SARS-CoV-2 RBD-scNP immunization induces potent neutralizing antibodies in non-human primates (NHPs) against all eight SARS-CoV-2 variants tested including the Beta, Delta, and Omicron variants. The Omicron variant was neutralized by RBD-scNP-induced serum antibodies with a mean of 10.6-fold reduction of ID50 titers compared to SARS-CoV-2 D614G. Immunization with RBD-scNPs protected NHPs from SARS-CoV-2 WA-1, Beta, and Delta variant challenge, and protected mice from challenges of SARS-CoV-2 Beta variant and two other heterologous sarbecoviruses. These results demonstrate the ability of RBD-scNPs to induce broad neutralization of SARS-CoV-2 variants and to protect NHPs and mice from multiple different SARS-related viruses. Such a vaccine could provide the needed immunity to slow the spread of and reduce disease caused by SARS-CoV-2 variants such as Delta and Omicron.

ABSTRACT Immunization with mRNA or viral vectors encoding spike with diproline substitutions (S-2P) has provided protective immunity against severe COVID-19 disease. How immunization with Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) spike elicits neutralizing antibodies (nAbs) against difficult-to-neutralize variants of concern (VOCs) remains an area of great interest. Here, we compare immunization of macaques with mRNA vaccines expressing ancestral spike either including or lacking diproline substitutions, and show the diproline substitutions were not required for protection against SARS-CoV-2 challenge or induction of broadly neutralizing B cell lineages. One group of nAbs elicited by the ancestral spike lacking diproline substitutions targeted the outer face of the receptor binding domain (RBD), neutralized all tested SARS-CoV-2 VOCs including Omicron XBB.1.5, but lacked cross-Sarbecovirus neutralization. Structural analysis showed that the macaque broad SARS-CoV-2 VOC nAbs bound to the same epitope as a human broad SARS-CoV-2 VOC nAb, DH1193. Vaccine-induced antibodies that targeted the RBD inner face neutralized multiple Sarbecoviruses, protected mice from bat CoV RsSHC014 challenge, but lacked Omicron variant neutralization. Thus, ancestral SARS-CoV-2 spike lacking proline substitutions encoded by nucleoside-modified mRNA can induce B cell lineages binding to distinct RBD sites that either broadly neutralize animal and human Sarbecoviruses or recent Omicron VOCs. One Sentence Summary Non-stabilized SARS-CoV-2 Spike mRNA vaccination activated B cells that target either conserved epitopes on SARS-CoV-2 Omicron variants of concern, or cross-neutralizing epitopes on pre-emergent Sarbecoviruses.

Abstract Vaccine development targeting rapidly evolving pathogens such as HIV-1 requires induction of broadly neutralizing antibodies (bnAbs) with conserved paratopes and mutations, and, in some cases, the same Ig-heavy chains. The current trial-and-error search for immunogen modifications that improve selection for specific bnAb mutations is imprecise. To precisely engineer bnAb boosting immunogens, we used molecular dynamics simulations to examine encounter states that form when antibodies collide with the HIV-1 Envelope (Env). By mapping how bnAbs use encounter states to find their bound states, we identified Env mutations that were predicted to select for specific antibody mutations in two HIV-1 bnAb B cell lineages. The Env mutations encoded antibody affinity gains and selected for desired antibody mutations in vivo . These results demonstrate proof-of-concept that Env immunogens can be designed to directly select for specific antibody mutations at residue-level precision by vaccination, thus demonstrating the feasibility of sequential bnAb-inducing HIV-1 vaccine design.

Immune responses to SARS-CoV-2 primarily target the receptor binding domain of the spike protein, which continually mutates to escape acquired immunity. Other regions in the spike S2 subunit, such as the stem helix and the segment encompassing residues 815-823 adjacent to the fusion peptide, are highly conserved across sarbecoviruses and are recognized by broadly reactive antibodies, providing hope that vaccines targeting these epitopes could offer protection against both current and emergent viruses. Here we employed computational modeling to design scaffolded immunogens that display the spike 815-823 peptide and the stem helix epitopes without the distracting and immunodominant RBD. These engineered proteins bound with high affinity and specificity to the mature and germline versions of previously identified broadly protective human antibodies. Epitope scaffolds interacted with both sera and isolated monoclonal antibodies with broadly reactivity from individuals with pre-existing SARS-CoV-2 immunity. When used as immunogens, epitope scaffolds elicited sera with broad betacoronavirus reactivity and protected as "boosts" against live virus challenge in mice, illustrating their potential as components of a future pancoronavirus vaccine.

Abstract HIV-1 and its SIV precursors share a broadly neutralizing antibody (bNAb) epitope in variable loop 2 (V2) at the envelope glycoprotein (Env) trimer apex. Here, we tested the immunogenicity of germline-targeting versions of a chimpanzee SIV (SIVcpz) Env in human V2-apex bNAb heavy-chain precursor-expressing knock-in mice and as chimeric simian-chimpanzee immunodeficiency viruses (SCIVs) in rhesus macaques (RMs). Trimer immunization of knock-in mice induced V2-directed NAbs, indicating activation of V2-apex bNAb precursor-expressing mouse B cells. SCIV infection of RMs elicited high-titer viremia, potent autologous tier 2 neutralizing antibodies, and rapid sequence escape in the canonical V2-apex epitope. Six of seven animals also developed low-titer heterologous plasma breadth that mapped to the V2-apex. Antibody cloning from two of these identified multiple expanded lineages with long heavy chain third complementarity determining regions that cross-neutralized as many as 7 of 19 primary HIV-1 strains, but with low potency. Negative stain electron microscopy (NSEM) of members of the two most cross-reactive lineages confirmed V2 targeting but identified an angle of approach distinct from prototypical V2-apex bNAbs, with antibody binding either requiring or inducing an occluded-open trimer. Probing with conformation-sensitive, non-neutralizing antibodies revealed that SCIV-expressed Envs as well as some primary HIV-1 Envs adopted a more open conformation, thereby exposing a conserved V2 epitope that is occluded in closed SIVcpz and HIV-1 Env trimers. These results expand the spectrum of V2-apex targeted antibodies that can contribute to neutralization breadth and identify novel SIV Env platforms for further development as germline-targeting and immunofocusing immunogens. One sentence summary A cryptic V2 epitope in occluded-open HIV and SIV Env trimers is the target of a new class of V2-directed cross-neutralizing antibodies.

Epitope-targeted HIV vaccine design seeks to focus antibody responses to broadly neutralizing antibody (bnAb) sites by sequential immunization. Chimpanzee SIV Envelope (Env) shares a single bnAb site, the V2-apex, with HIV, suggesting its possible utility in an HIV immunization strategy. Accordingly, we generated a chimpanzee SIV Env trimer, MT145K, which displays selective binding to HIV V2-apex bnAbs and precursor versions, but no binding to other HIV specificities. We determined the structure of the MT145K trimer by cryo-EM and showed its architecture was remarkably similar to HIV Env. Immunization of an HIV V2-apex bnAb precursor Ab-expressing knock-in mouse with chimpanzee MT145K trimer induced HIV V2-specific neutralizing responses. Subsequent boosting with an HIV trimer cocktail induced responses exhibiting some virus cross-neutralization. Overall, the chimpanzee MT145K trimer behaves as expected from design both in vitro and in vivo and is an attractive potential component of a sequential immunization regimen to induce V2-apex bnAbs.

The emergence of three distinct highly pathogenic human coronaviruses - SARS-CoV in 2003, MERS-CoV in 2012, and SARS-CoV-2 in 2019 - underlines the need to develop broadly active vaccines against the Merbecovirus and Sarbecovirus betacoronavirus subgenera. While SARS-CoV-2 vaccines are highly protective against severe COVID-19 disease, they do not protect against other sarbecoviruses or merbecoviruses. Here, we vaccinate mice with a trivalent sortase-conjugate nanoparticle (scNP) vaccine containing the SARS-CoV-2, RsSHC014, and MERS-CoV receptor binding domains (RBDs), which elicited live-virus neutralizing antibody responses and broad protection. Specifically, a monovalent SARS-CoV-2 RBD scNP vaccine only protected against sarbecovirus challenge, whereas the trivalent RBD scNP vaccine protected against both merbecovirus and sarbecovirus challenge in highly pathogenic and lethal mouse models. Moreover, the trivalent RBD scNP elicited serum neutralizing antibodies against SARS-CoV, MERS-CoV and SARS-CoV-2 BA.1 live viruses. Our findings show that a trivalent RBD nanoparticle vaccine displaying merbecovirus and sarbecovirus immunogens elicits immunity that broadly protects mice against disease. This study demonstrates proof-of-concept for a single pan-betacoronavirus vaccine to protect against three highly pathogenic human coronaviruses spanning two betacoronavirus subgenera.