A key barrier to the development of vaccines that induce broadly neutralizing antibodies (bnAbs) against human immunodeficiency virus (HIV) and other viruses of high antigenic diversity is the design of priming immunogens that induce rare bnAb-precursor B cells. The high neutralization breadth of the HIV bnAb 10E8 makes elicitation of 10E8-class bnAbs desirable; however, the recessed epitope within gp41 makes envelope trimers poor priming immunogens and requires that 10E8-class bnAbs possess a long heavy chain complementarity determining region 3 (HCDR3) with a specific binding motif. We developed germline-targeting epitope scaffolds with affinity for 10E8-class precursors and engineered nanoparticles for multivalent display. Scaffolds exhibited epitope structural mimicry and bound bnAb-precursor human naive B cells in ex vivo screens, protein nanoparticles induced bnAb-precursor responses in stringent mouse models and rhesus macaques, and mRNA-encoded nanoparticles triggered similar responses in mice. Thus, germline-targeting epitope scaffold nanoparticles can elicit rare bnAb-precursor B cells with predefined binding specificities and HCDR3 features.

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 SARS-CoV-2 Omicron variants have generated a world-wide health crisis due to resistance to most approved SARS-CoV-2 neutralizing antibodies and evasion of antibodies induced by vaccination. Here, we describe the SARS-CoV-2 neutralizing SP1-77 antibody that was generated from a humanized mouse model with a single human V H 1-2 and Vκ1-33-associated with immensely diverse complementarity-determining-region-3 (CDR3) sequences. SP1-77 potently and broadly neutralizes SARS-CoV-2 variants of concern and binds the SARS-CoV-2 spike protein receptor-binding-domain (RBD) via a novel-CDR3-based mode. SP1-77 does not block RBD-binding to the ACE2-receptor or endocytosis step of viral entry, but rather blocks membrane fusion. Our findings provide the first mechanistic insight into how a non-ACE2 blocking antibody potently neutralizes SARS-CoV-2, which may inform strategies for designing vaccines that robustly neutralize current and future SARS-CoV-2 variants.

Eliciting potent and broadly neutralizing antibodies (bnAbs) is a major goal in HIV-1 vaccine development. Here, we describe how germline-targeting immunogen BG505 SOSIP germline trimer 1.1 (GT1.1), generated through structure-based design, engages a diverse range of VRC01-class bnAb precursors. A single immunization with GT1.1 expands CD4 binding site (CD4bs)–specific VRC01-class B cells in knock-in mice and drives VRC01-class maturation. In nonhuman primates (NHPs), GT1.1 primes CD4bs-specific neutralizing serum responses. Selected monoclonal antibodies (mAbs) isolated from GT1.1-immunized NHPs neutralize fully glycosylated BG505 virus. Two mAbs, 12C11 and 21N13, neutralize subsets of diverse heterologous neutralization-resistant viruses. High-resolution structures revealed that 21N13 targets the same conserved residues in the CD4bs as VRC01-class and CH235-class bnAbs despite its low sequence similarity (~40%), whereas mAb 12C11 binds predominantly through its heavy chain complementarity-determining region 3. These preclinical data underpin the ongoing evaluation of GT1.1 in a phase 1 clinical trial in healthy volunteers.

Abstract V(D)J recombination generates mature B cells that express huge repertoires of primary antibodies as diverse immunoglobulin heavy (IgH) and light chains (IgL) of their B cell antigen receptors (BCRs). Cognate antigen binding to BCR variable region domains activates B cells into the germinal center (GC) reaction in which somatic hypermutation (SHM) modifies primary variable region-encoding sequences, with subsequent selection for mutations that improve antigen-binding affinity, ultimately leading to antibody affinity maturation. Based on these principles, we developed a humanized mouse model approach to diversify an anti-PD1 therapeutic antibody and allow isolation of variants with novel properties. In this approach, component Ig gene segments of the anti-PD1 antibody underwent de novo V(D)J recombination to diversify the anti-PD1 antibody in the primary antibody repertoire in the mouse models. Immunization of these mouse models further modifies the anti-PD1 antibodies through SHM. Known anti-PD1 antibodies block interaction of PD1 with its ligands to alleviate PD1-mediated T cell suppression, thereby boosting anti-tumor T cell responses. By diversifying one such anti-PD1 antibody, we derived many new anti-PD1 antibodies, including anti-PD1 antibodies with the opposite activity of enhancing PD1/ligand interaction. Such antibodies theoretically might suppress deleterious T cell activities in autoimmune diseases. The approach we describe should be generally applicable for diversifying other therapeutic antibodies. Significance Statement The immune system is capable of producing enormous varieties of antibodies to counter pathogenic infections. In this study, we devised a method to harness the power of the immune system to produce potentially therapeutic antibodies. As a test, we used this method to generate antibodies against the human PD1 molecule, a negative regulator of T cell activity. Available anti-PD1 therapeutic antibodies inhibit the function of PD1, thereby boosting T cell activity against tumor cells. Through our approach, we diversified one such anti-PD1 antibody in our mouse models. From this work, we obtained multiple new anti-PD1 antibodies, some of which can stimulate, rather than inhibit, PD1 function in vitro . Such PD1 stimulatory antibodies could potentially be used to suppress pathogenic T cell activities in autoimmune diseases. This method could be used to diversify the functions of other therapeutic antibodies.

Abstract Antibody heavy chain (HC) and light chain (LC) variable region exons are assembled by V(D)J recombination. V(D)J junctional regions encode complementarity-determining-region 3 (CDR3), an antigen-contact region immensely diversified through non-templated nucleotide additions (“N-regions”) by terminal deoxynucleotidyl transferase (TdT). HIV-1 vaccine strategies seek to elicit human HIV-1 broadly neutralizing antibodies (bnAbs), such as the potent CD4-binding site VRC01-class bnAbs. Mice with primary B cells that express receptors (BCRs) representing bnAb precursors are used as vaccination models. VRC01-class bnAbs uniformly use human HC V H 1-2 and commonly use human LCs Vκ3-20 or Vκ1-33 associated with an exceptionally short 5-amino-acid (5-aa) CDR3. Prior VRC01-class models had non-physiological precursor levels and/or limited precursor diversity. Here, we describe VRC01-class rearranging mice that generate more physiological primary VRC01-class BCR repertoires via rearrangement of V H 1-2, as well as Vκ1-33 and/or Vκ3-20 in association with diverse CDR3s. Human-like TdT expression in mouse precursor B cells increased LC CDR3 length and diversity and also promoted generation of shorter LC CDR3s via N-region suppression of dominant microhomology-mediated Vκ-to-Jκ joins. Priming immunization with eOD-GT8 60mer, which strongly engages VRC01 precursors, induced robust VRC01-class germinal center (GC) B cell responses. Vκ3-20-based responses were enhanced by N-region addition, which generates Vκ3-20-to-Jκ junctional sequence combinations that encode VRC01-class 5-aa CDR3s with a critical E residue. VRC01-class-rearranging models should facilitate further evaluation of VRC01-class prime and boost immunogens. These new VRC01-class mouse models establish a prototype for generation of vaccine-testing mouse models for other HIV-1 bnAb lineages that employ different HC or LC Vs. Significance Statement Mouse models that express human precursors of HIV-1 broadly neutralizing antibodies (bnAbs) are useful for evaluating vaccination strategies for eliciting such bnAbs in humans. Prior models were handicapped by non-physiological frequency and/or diversity of B lymphocytes that express the bnAb precursors. We describe a new class of mouse models in which the mice express humanized bnAb precursors at a more physiologically relevant level through developmental rearrangement of both antibody heavy and light chain gene segments that encode the precursors. The model also incorporated a human enzyme that diversifies the rearranging gene segments and promotes generation of certain variable region sequences needed for the response. This new class of mouse models should facilitate preclinical evaluation of candidate human HIV-1 vaccination strategies.

HIV-1 vaccine development aims to elicit broadly neutralizing antibodies (bnAbs) against diverse viral strains. In some HIV-1 infected individuals, bnAbs evolve from precursor antibodies through affinity maturation. To induce bnAbs, a vaccine must mediate a similar process of antibody maturation. One way to test vaccination strategies is to immunize mouse models that express human bnAb precursors. Such immunization experiments can assess whether the vaccine can convert precursor antibody into bnAb. A major problem with such mouse models is that bnAb expression often hinders B cell development in the bone marrow. Such developmental blocks may be attributed to unusual properties of bnAb variable regions, such as poly-reactivity and long antigen-binding loops, which are often under negative selection during primary B cell development. To address this problem, we devised a method to circumvent B cell developmental block by expressing bnAbs conditionally in mature B cells. We validated this method by expressing the unmutated common ancestor (UCA) of the human VRC26 bnAb in transgenic mice. Constitutive expression of combined immunoglobulin heavy and light chains of VRC26UCA led to developmental arrest of B cell progenitors in the bone marrow; poly-reactivity of VRC26UCA and poor pairing of VRC26UCA IgH chain with mouse surrogate light chain may contribute to the phenotype. The conditional expression strategy circumvented this developmental impediment, allowing the VRC26UCA to be expressed in mature peripheral B cells. This method should be generally applicable for expressing other antibodies that are under negative selection during B cell development.

Antigenic variation and viral evolution have thwarted traditional influenza vaccination strategies. The broad protection afforded by a "universal" influenza vaccine will come from immunogens that elicit humoral immune responses targeting conserved epitopes on the viral hemagglutinin (HA), such as the receptor-binding site (RBS). Here, we engineered candidate immunogens that use non-circulating, avian influenza HAs as molecular scaffolds to present the broadly neutralizing RBS epitope from historical, circulating H1 influenzas. These "resurfaced" HAs (rsHAs) remove epitopes potentially targeted by strain-specific responses in immune-experienced individuals. Through structure-guided optimization we improved two antigenically different scaffolds to bind a diverse panel of pan-H1 and H1/H3 cross-reactive bnAbs with high affinity. Subsequent serological analyses from murine prime-boost immunizations show that the rsHAs are both immunogenic and can enrich for RBS-directed antibodies. Our structure-guided, RBS grafting approach provides candidate immunogens for selectively presenting a conserved viral epitope.