An antibody able to broadly neutralize both group 1 and group 2 influenza A viruses—and its target epitope—are identified.

Background The isolation of human monoclonal antibodies (mAbs) that neutralize a broad spectrum of primary HIV-1 isolates and the characterization of the human neutralizing antibody B cell response to HIV-1 infection are important goals that are central to the design of an effective antibody-based vaccine. Methods and Findings We immortalized IgG+ memory B cells from individuals infected with diverse clades of HIV-1 and selected on the basis of plasma neutralization profiles that were cross-clade and relatively potent. Culture supernatants were screened using various recombinant forms of the envelope glycoproteins (Env) in multiple parallel assays. We isolated 58 mAbs that were mapped to different Env surfaces, most of which showed neutralizing activity. One mAb in particular (HJ16) specific for a novel epitope proximal to the CD4 binding site on gp120 selectively neutralized a multi-clade panel of Tier-2 HIV-1 pseudoviruses, and demonstrated reactivity that was comparable in breadth, but distinct in neutralization specificity, to that of the other CD4 binding site-specific neutralizing mAb b12. A second mAb (HGN194) bound a conserved epitope in the V3 crown and neutralized all Tier-1 and a proportion of Tier-2 pseudoviruses tested, irrespective of clade. A third mAb (HK20) with broad neutralizing activity, particularly as a Fab fragment, recognized a highly conserved epitope in the HR-1 region of gp41, but showed striking assay-dependent selectivity in its activity. Conclusions This study reveals that by using appropriate screening methods, a large proportion of memory B cells can be isolated that produce mAbs with HIV-1 neutralizing activity. Three of these mAbs show unusual breadth of neutralization and therefore add to the current panel of HIV-1 neutralizing antibodies with potential for passive protection and template-based vaccine design.

Abstract The trimeric spike (S) protein of SARS-CoV-2 is the primary focus of most vaccine design and development efforts. Due to intrinsic instability typical of class I fusion proteins, S tends to prematurely refold to the post-fusion conformation, compromising immunogenic properties and prefusion trimer yields. To support ongoing vaccine development efforts, we report the structure-based design of soluble S trimers, with increased yields and stabilities, based on introduction of single point mutations and disulfide-bridges. We identify two regions in the S-protein critical for the protein’s stability: the heptad repeat region 1 of the S2 subunit and subunit domain 1 at the interface with S2. We combined a minimal selection of mostly interprotomeric mutations to create a stable S-closed variant with a 6.4-fold higher expression than the parental construct while no longer containing a heterologous trimerization domain. The cryo-EM structure reveals a correctly folded, predominantly closed pre-fusion conformation. Highly stable and well producing S protein and the increased understanding of S protein structure will support vaccine development and serological diagnostics.

Abstract Development of effective preventative interventions against SARS-CoV-2, the etiologic agent of COVID-19 is urgently needed. The viral surface spike (S) protein of SARS-CoV-2 is a key target for prophylactic measures as it is critical for the viral replication cycle and the primary target of neutralizing antibodies. We evaluated design elements previously shown for other coronavirus S protein-based vaccines to be successful, e.g. prefusion-stabilizing substitutions and heterologous signal peptides, for selection of a S-based SARS-CoV-2 vaccine candidate. In vitro characterization demonstrated that the introduction of stabilizing substitutions (i.e., furin cleavage site mutations and two consecutive prolines in the hinge region of S1) increased the ratio of neutralizing versus non-neutralizing antibody binding, suggestive for a prefusion conformation of the S protein. Furthermore, the wild type signal peptide was best suited for the correct cleavage needed for a natively-folded protein. These observations translated into superior immunogenicity in mice where the Ad26 vector encoding for a membrane-bound stabilized S protein with a wild type signal peptide elicited potent neutralizing humoral immunity and cellular immunity that was polarized towards Th1 IFN-γ. This optimized Ad26 vector-based vaccine for SARS-CoV-2, termed Ad26.COV2.S, is currently being evaluated in a phase I clinical trial (ClinicalTrials.gov Identifier: NCT04436276 ).

ABSTRACT Previously we have shown that a single dose of recombinant adenovirus serotype 26 (Ad26) vaccine expressing a prefusion stabilized SARS-CoV-2 spike antigen (Ad26.COV2.S) is immunogenic and provides protection in Syrian hamster and non-human primate SARS-CoV-2 infection models. Here, we investigated the immunogenicity, protective efficacy and potential for vaccine-associated enhanced respiratory disease (VAERD) mediated by Ad26.COV2.S in a moderate disease Syrian hamster challenge model, using the currently most prevalent G614 spike SARS-CoV-2 variant. Vaccine doses of 1×10 9 vp and 1×10 10 vp elicited substantial neutralizing antibodies titers and completely protected over 80% of SARS-CoV-2 inoculated Syrian hamsters from lung infection and pneumonia but not upper respiratory tract infection. A second vaccine dose further increased neutralizing antibody titers which was associated with decreased infectious viral load in the upper respiratory tract after SARS-CoV-2 challenge. Suboptimal non-protective immune responses elicited by low-dose A26.COV2.S vaccination did not exacerbate respiratory disease in SARS-CoV-2-inoculated Syrian hamsters with breakthrough infection. In addition, dosing down the vaccine allowed to establish that binding and neutralizing antibody titers correlate with lower respiratory tract protection probability. Overall, these pre-clinical data confirm efficacy of a 1-dose vaccine regimen with Ad26.COV2.S in this G614 spike SARS-CoV-2 virus variant Syrian hamster model, show the added benefit of a second vaccine dose, and demonstrate that there are no signs of VAERD under conditions of suboptimal immunity.

Abstract Respiratory syncytial virus (RSV) is a leading cause of severe respiratory disease for which no licensed vaccine is available. We have previously shown that a prefusion (preF) conformation– stabilized RSV F protein antigen and an adenoviral vector encoding RSV preF protein (Ad26.RSV.preF) are immunogenic and protective in animals when administered as single components. Here, we evaluated a combination of the 2 components. Strong induction of both humoral and cellular responses was shown in RSV-naïve and pre-exposed mice and pre-exposed African green monkeys (AGMs). Both components of the combination vaccine contributed to humoral immune responses, while the Ad26.RSV.preF component was the main contributor to cellular immune responses in both mice and AGMs. Immunization with the combination elicited superior protection against RSV A2 challenge in cotton rats. These results demonstrate the advantage of a combination vaccine and support further clinical development.

The Paramyxoviridae family encompasses medically significant RNA viruses, including human respiroviruses 1 and 3 (RV1, RV3), and zoonotic pathogens like Nipah virus (NiV). RV3, previously known as parainfluenza type 3, for which no vaccines or antivirals have been approved, causes respiratory tract infections in vulnerable populations. The RV3 fusion (F) protein is inherently metastable and will likely require prefusion (preF) stabilization for vaccine effectiveness. Here we used structure-based design to stabilize regions involved in structural transformation to generate a preF protein vaccine antigen with high expression and stability, and which, by stabilizing the coiled-coil stem region, does not require a heterologous trimerization domain. The preF candidate induces strong neutralizing antibody responses in both female naïve and pre-exposed mice and provides protection in a cotton rat challenge model (female). Despite the evolutionary distance of paramyxovirus F proteins, their structural transformation and local regions of instability are conserved, which allows successful transfer of stabilizing substitutions to the distant preF proteins of RV1 and NiV. This work presents a successful vaccine antigen design for RV3 and provides a toolbox for future paramyxovirus vaccine design and pandemic preparedness.

The prefusion conformation of human metapneumovirus fusion protein (hMPV Pre-F) is critical for eliciting the most potent neutralizing antibodies and is the preferred immunogen for an efficacious vaccine against hMPV respiratory infections. Here we show that an additional cleavage event in the F protein allows closure and correct folding of the trimer. We therefore engineered the F protein to undergo double cleavage, which enabled screening for Pre-F stabilizing substitutions at the natively folded protomer interfaces. To identify these substitutions, we developed an AI convolutional classifier that successfully predicts complex polar interactions often overlooked by physics-based methods and visual inspection. The combination of additional processing, stabilization of interface regions and stabilization of the membrane-proximal stem, resulted in a Pre-F protein vaccine candidate without the need for a heterologous trimerization domain that exhibited high expression yields and thermostability. Cryo-EM analysis shows the complete ectodomain structure, including the stem, and a specific interaction of the newly identified cleaved C-terminus with the adjacent protomer. Importantly, the protein induces high and cross-neutralizing antibody responses resulting in near complete protection against hMPV challenge in cotton rats, making the highly stable, double-cleaved hMPV Pre-F trimer an attractive vaccine candidate.

Abstract The SARS-CoV-2 spike protein is the target of neutralizing antibodies and the immunogen used in all currently approved vaccines. The global spread of the virus has resulted in emergence of lineages which are of concern for the effectiveness of immunotherapies and vaccines based on the early Wuhan isolate. Here we describe two SARS-CoV-2 isolates with large deletions in the N-terminal domain (NTD) of the spike. Cryo-EM structural analysis showed that the deletions result in complete reshaping of the antigenic surface of the NTD supersite. The remodeling of the NTD affects binding of all tested NTD-specific antibodies in and outside of the NTD supersite for both spike variants. A unique escape mechanism with high antigenic impact observed in the ΔN135 variant was based on the loss of the Cys15-Cys136 disulfide due to the P9L-mediated shift of the signal peptide cleavage site and deletion of residues 136-144. Although the observed large loop and disulfide deletions are rare, similar modifications became independently established in several other lineages, highlighting the possibility of a general escape mechanism via the NTD supersite. The observed plasticity of the NTD foreshadows its broad potential for immune escape with the continued spread of SARS-CoV-2.

Abstract Respirovirus 3 is a leading cause of severe acute respiratory infections in vulnerable human populations. Entry into host cells is facilitated by the attachment glycoprotein and the fusion glycoprotein (F). Because of its crucial role, F represents an attractive therapeutic target. Here, we identify 13 F-directed heavy-chain-only antibody fragments that neutralize recombinant respirovirus 3. High-resolution cryo-EM structures of antibody fragments bound to the prefusion conformation of F reveal three distinct, previously uncharacterized epitopes. All three antibody fragments bind quaternary epitopes on F, suggesting mechanisms for neutralization that may include stabilization of the prefusion conformation. Studies in cotton rats demonstrate the prophylactic efficacy of these antibody fragments in reducing viral load in the lungs and nasal passages. These data highlight the potential of heavy-chain-only antibody fragments as effective interventions against respirovirus 3 infection and identify neutralizing epitopes that can be targeted for therapeutic development.