Abstract Many classes of small-molecule drugs form protein adducts in vivo , which may elicit antibodies via a classical hapten-carrier-type response, with implications for both allergy and drug sequestration. Although β-lactam antibiotics are a drug class long associated with these phenomena, the molecular determinants of drug-protein conjugation and consequent drug-specific immune responses remain incomplete. Here, we interrogated factors influencing penicilloyl adduct formation and immunogenicity, and used penicillin G (PenG) to probe the B and T cell determinants of drug-specific IgG responses in mice. We identify through deep clonotyping a dominant murine penicilloyl-specific clonal antibody class encompassing phylogenetically related IGHV1 , IGHV5 and IGHV10 subgroup gene segments. Through protein NMR and x-ray structural analysis, we determined that adduct specific antibody clones—the MIL series—predominantly recognise the variable side-chain moiety (which for PenG is phenylacetamide) via a hydrophobic pocket, while secondary H-bond contacts with both thiazolidine and the adducted lysine residue is made. As a result, the cross-reactivity against other β-lactam antibiotics is limited. These data demonstrate the relationship between the chemistry of protein-reactive drugs such as penicilloyls, and how their predisposition to generating B cell responses can inform the functional implications at the clonal level. Highlights - PenG readily forms immunogenic adducts on lysine sidechains of diverse self- and non-self proteins including complete serum under physiological conditions. - PenG-protein adduction in vitro or in vivo is sufficient to elicit penicillin-specific IgG responses. - Murine B cell clonotypic responses are characterised by near-uniform antibody binding modes of similar immunogenetic origin. - The dominant murine PenG-specific clonotype is dominated by benzene ring recognition and correlates with serological cross-reactivity profiles.

Many archetypal and emerging classes of small-molecule therapeutics form covalent protein adducts. In vivo, both the resulting conjugates and their off-target side-conjugates have the potential to elicit antibodies, with implications for allergy and drug sequestration. Although β-lactam antibiotics are a drug class long associated with these immunological phenomena, the molecular underpinnings of off-target drug-protein conjugation and consequent drug-specific immune responses remain incomplete. Here, using the classical β-lactam penicillin G (PenG), we probe the B and T cell determinants of drug-specific IgG responses to such conjugates in mice. Deep B cell clonotyping reveals a dominant murine clonal antibody class encompassing phylogenetically-related IGHV1, IGHV5 and IGHV10 subgroup gene segments. Protein NMR and x-ray structural analyses reveal that these drive structurally convergent binding modes in adduct-specific antibody clones. Their common primary recognition mechanisms of the penicillin side-chain moiety (phenylacetamide in PenG)-regardless of CDRH3 length-limits cross-reactivity against other β-lactam antibiotics. This immunogenetics-guided discovery of the limited binding solutions available to antibodies against side products of an archetypal covalent inhibitor now suggests future potential strategies for the 'germline-guided reverse engineering' of such drugs away from unwanted immune responses.

Abstract Ganglioside sugars, as Tumour-Associated Carbohydrate Antigens (TACAs), are long-proposed targets for vaccination and therapeutic antibody production, but their self-like character imparts immunorecessive characteristics that classical vaccination approaches have to date failed to overcome. One prominent TACA, the glycan component of ganglioside GM3 (GM3g), is over-expressed on diverse tumours. To probe the limits of glycan tolerance, we used protein editing methods to display GM3g in systematically varied non-native presentation modes by attachment to carrier protein lysine sidechains using diverse chemical linkers. We report here that such presentation creates glycoconjugates that are strongly immunogenic in mice and elicit robust antigen-specific IgG responses specific to GM3g. Characterisation of this response by antigen-specific B cell cloning and phylogenetic and functional analyses suggests that such display enables the engagement of a highly restricted naïve B cell class with a defined germline configuration dominated by members of the IGHV2 subgroup. Strikingly, structural analysis reveals that glycan features appear to be recognised primarily by antibody CDRH1/2, and despite the presence of an antigen-specific Th response and B cell somatic hypermutation, we found no evidence of affinity maturation towards the antigen. Together these findings suggest a ‘reach-through’ model in which glycans, when displayed in non-self formats of sufficient distance from a conjugate backbone, may engage ‘glycan ready’ V-region motifs encoded in the germline. Structural constraints define why, despite engaging the trisaccharide, antibodies do not bind natively-presented glycans, such as when linked to lipid GM3. Our findings provide an explanation for the long-standing difficulties in raising antibodies reactive with native TACAs, and provide a possible template for rational vaccine design against this and other TACA antigens. Highlights GM3g synthetically coupled via a longer, orthogonal (from backbone) glycoconjugate (LOG) presentation format (thioethyl-lysyl-amidine) display elicits high-titre IgG responses in mice. The germinal centre experience of LOG glycoconjugate-specific B cell responses is directly influenced by the protein backbone. Structural characterisation of the antibody response to LOGs reveals highly restricted germline-encoded glycan-engaging motifs that mediate GM3g recognition. Failure of antibodies to bind the native trisaccharide highlights barriers to be overcome for the rational design of anti-TACA antibodies.