RNA-based vaccines against SARS-CoV-2 are critical to limiting COVID-19 severity and spread. Cellular mechanisms driving antigen-specific responses to these vaccines, however, remain uncertain. We used single-cell technologies to identify and characterized antigen-specific cells and antibody responses to the RNA vaccine BNT162b2 in longitudinal samples from a cohort of healthy donors. Mass cytometry and machine learning pinpointed a novel expanding, population of antigen-specific non-canonical memory CD4 + and CD8 + T cells. B cell sequencing suggested progression from IgM, with apparent cross-reactivity to endemic coronaviruses, to SARS-CoV-2-specific IgA and IgG memory B cells and plasmablasts. Responding lymphocyte populations correlated with eventual SARS-CoV-2 IgG and a donor lacking these cell populations failed to sustain SARS-CoV-2-specific antibodies and experienced breakthrough infection. These integrated proteomic and genomic platforms reveal an antigen-specific cellular basis of RNA vaccine-based immunity.Single-cell profiling reveals the cellular basis of the antigen-specific response to the BNT162b2 SARS-CoV-2 RNA vaccine.

ABSTRACT SARS-CoV-2 therapeutic antibody discovery efforts have met with notable success but have been associated with a generally inefficient process, requiring the production and characterization of exceptionally large numbers of candidates for the identification of a small set of leads. Here, we show that incorporating antibody–ligand blocking as part of LIBRA-seq, the high-throughput sequencing platform for antibody discovery, results in efficient identification of ultra-potent neutralizing antibodies against SARS-CoV-2. LIBRA-seq with ligand blocking is a general platform for functional antibody discovery targeting the disruption of antigen–ligand interactions.

Abstract The emergence of novel SARS-CoV-2 lineages that are more transmissible and resistant to currently approved antibody therapies poses a considerable challenge to the clinical treatment of COVID-19. Therefore, the need for ongoing discovery efforts to identify broadly reactive monoclonal antibodies to SARS-CoV-2 is of utmost importance. Here, we report a panel of SARS-CoV-2 antibodies isolated using the LIBRA-seq technology from an individual who recovered from COVID-19. Of these antibodies, 54042-4 showed potent neutralization against authentic SARS-CoV-2 viruses, including variants of concern (VOCs). A cryo-EM structure of 54042-4 in complex with the SARS-CoV-2 spike revealed an epitope composed of residues that are highly conserved in currently circulating SARS-CoV-2 lineages. Further, 54042-4 possesses unique genetic and structural characteristics that distinguish it from other potently neutralizing SARS-CoV-2 antibodies. Together, these findings motivate 54042-4 as a lead candidate for clinical development to counteract current and future SARS-CoV-2 VOCs.

ABSTRACT The continual emergence of novel coronavirus (CoV) strains, like SARS-CoV-2, highlights the critical need for broadly reactive therapeutics and vaccines against this family of viruses. Coronavirus spike (S) proteins share common structural motifs that could be vulnerable to cross-reactive antibody responses. To study this phenomenon in human coronavirus infection, we applied a high-throughput sequencing method called LIBRA-seq (Linking B cell receptor to antigen specificity through sequencing) to a SARS-CoV-1 convalescent donor sample. We identified and characterized a panel of six monoclonal antibodies that cross-reacted with S proteins from the highly pathogenic SARS-CoV-1 and SARS-CoV-2 and demonstrated a spectrum of reactivity against other coronaviruses. Epitope mapping revealed that these antibodies recognized multiple epitopes on SARS-CoV-2 S, including the receptor binding domain (RBD), N-terminal domain (NTD), and S2 subunit. Functional characterization demonstrated that the antibodies mediated a variety of Fc effector functions in vitro and mitigated pathological burden in vivo . The identification of cross-reactive epitopes recognized by functional antibodies expands the repertoire of targets for pan-coronavirus vaccine design strategies that may be useful for preventing potential future coronavirus outbreaks.

Summary Public antibody clonotypes shared among multiple individuals have been identified for several pathogens. However, little is known about the limits of what constitutes a public clonotype. Here, we characterize the sequence and functional properties of antibodies from a public HIV-specific clonotype comprising sequences from 3 individuals. Our results showed that antigen specificity for the public antibodies was modulated by the V H , but not V L , germline gene. Non-native pairing of public heavy and light chains from different donors resulted in antibodies with consistent antigen specificity, suggesting functional complementation of sequences within the public antibody clonotype. The strength of antigen recognition appeared to be dependent on the specific antibody light chain used, but not on other sequence features such as germline or native-antibody sequence identity. Understanding the determinants of antibody clonotype “publicness” can provide insights into the fundamental rules of host-pathogen interactions at the population level, with implications for clonotype-specific vaccine development.

Abstract Dengue is a major public health threat. There are four serotypes of dengue virus (DENV), therefore efforts are focused on development of safe and effective tetravalent DENV vaccines. While neutralizing antibodies contribute to protective immunity, there are still important gaps in understanding of immune responses elicited by dengue infection and vaccination, including defining immune correlates of protection. To that end, here we present a computational modeling framework for evaluating the specificities of neutralizing antibodies elicited to tetravalent DENV vaccines, based on the concept of antibody-virus neutralization fingerprints. We developed and applied this framework to samples from clinical studies of TAK-003, a tetravalent vaccine candidate currently in phase 3 trials, to characterize the effect of prior dengue infection (baseline) on the specificities of vaccine-elicited antibody responses. Our results suggested a similarity of neutralizing antibody specificities in baseline-seronegative individuals. In contrast, amplification of pre-existing neutralizing antibody specificities was predicted for baseline-seropositive individuals, thus quantifying the role of immunologic imprinting in driving antibody responses to DENV vaccines. The analysis framework proposed here can apply to studies of sequential dengue infections and other tetravalent DENV vaccines and can contribute to understanding dengue immune correlates of protection to help guide further vaccine development and optimization.

Consistent elicitation of serum antibody responses that neutralize diverse clades of HIV-1 remains a primary goal of HIV-1 vaccine research. Prior work has defined key features of soluble HIV-1 Envelope (Env) immunogen cocktails that influence the neutralization breadth and potency of multivalent vaccine-elicited antibody responses including the number of Env strains in the regimen. We designed immunization groups that consisted of different numbers of Env strains to be used in a cocktail immunization strategy: the smallest cocktail (group 2) consisted of a set of two Env strains, which were a subset of the three Env strains that made up group 3, which in turn were a subset of the six Env strains that made up group 4. Serum neutralizing titers were broadest in guinea pigs that were immunized with a cocktail of three Envs compared to cocktails of two and six, suggesting that multivalent Env immunization provides a benefit but may be detrimental when the cocktail size is too large. We then adapted the LIBRA-seq platform for antibody discovery to be compatible with guinea pigs, and isolated several tier 2 neutralizing monoclonal antibodies. Three antibodies isolated from two separate guinea pigs were similar in their gene usage and CDR3s, establishing evidence for a guinea pig public clonotype elicited through vaccination. Taken together, this work investigated multivalent HIV-1 Env immunization strategies and provides a novel methodology for screening guinea pig B cell receptor antigen specificity at a high throughput level using LIBRA-seq.