Abstract The latent HIV-1 reservoir containing stably integrated and transcriptionally silent proviruses in CD4+ T cells is a major barrier for virus eradication. Targeted reactivation of the latent reservoir remains a major challenge in establishing a path for an HIV-1 cure. Here, we investigated the possibility of reactivating the HIV-1 reservoir by targeting engineered bacteriophage T4 capsid nanoparticles to reservoir cells. The surface lattice of the 120 x 86 nm phage capsid was arrayed with CD4 binding ligands such as recombinant CD4DARPin or the HIV-1 gp140 envelope protein. When exposed to either PBMCs or the resting CD4+ T cells in vitro , these nanoparticles caused T cells activation without inducing global T cell activation. Furthermore, the nanoparticles reactivated HIV-1 proviral transcription that led to virus assembly and release in the J-Lat cells, a cell line model of HIV-1 latency. Intriguingly, the observed T cell activation and HIV-1 latency reversal did not occur through the classic PKC or NFAT pathways suggesting the involvement of a yet unknown pathway. These studies demonstrate that engineered non-infectious bacteriophages could be potentially exploited for HIV-1 cure and other targeted T cell therapies.

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.

Abstract A productive HIV-1 infection in humans is often established by transmission and propagation of a single transmitted/founder (T/F) virus, which then evolves into a complex mixture of variants during the lifetime of infection. An effective HIV-1 vaccine should elicit broad immune responses in order to block the entry of diverse T/F viruses. Currently, no such vaccine exists. An in-depth study of escape variants emerging under host immune pressure during very early stages of infection might provide insights into such a HIV-1 vaccine design. Here, in a rare longitudinal study involving HIV-1 infected individuals just days after infection in the absence of antiretroviral therapy, we discovered a remarkable genetic shift that resulted in near complete disappearance of the original T/F virus and appearance of a variant with H173Y mutation in the variable V2 domain of the HIV-1 envelope protein. This coincided with the disappearance of the first wave of strictly H173-specific antibodies and emergence of a second wave of Y173-specific antibodies with increased breadth. Structural analyses indicated conformational dynamism of the envelope protein which likely allowed selection of escape variants with a conformational switch in the V2 domain from an α-helix (H173) to a β-strand (Y173) and induction of broadly reactive antibody responses. This differential breadth due to a single mutational change was also recapitulated in a mouse model. Rationally designed combinatorial libraries containing 54 conformational variants of V2 domain around position 173 further demonstrated increased breadth of antibody responses elicited to diverse HIV-1 envelope proteins. These results offer new insights into designing broadly effective HIV-1 vaccines.

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.

SUMMARY The authorized mRNA- and adenovirus-based SARS-CoV-2 vaccines are intramuscularly injected and effective in preventing COVID-19, but do not induce efficient mucosal immunity, or prevent viral transmission. We developed a bacteriophage T4-based, multicomponent, needle and adjuvant-free, mucosal vaccine by engineering spike trimers on capsid exterior and nucleocapsid protein in the interior. Intranasal administration of T4-COVID vaccine induced higher virus neutralization antibody titers against multiple variants, balanced Th1/Th2 antibody and cytokine responses, stronger CD4 + and CD8 + T cell immunity, and higher secretory IgA titers in sera and bronchoalveolar lavage with no effect on the gut microbiota, compared to vaccination of mice intramuscularly. The vaccine is stable at ambient temperature, induces apparent sterilizing immunity, and provides complete protection against original SARS-CoV-2 strain and its Delta variant with minimal lung histopathology. This mucosal vaccine is an excellent candidate for boosting immunity of immunized and/or as a second-generation vaccine for the unimmunized population.

Abstract A “universal” vaccine design platform that can rapidly generate multiplex vaccine candidates is critically needed to control future pandemics. Here, using SARS-CoV-2 pandemic virus as a model, we have developed such a platform by CRISPR engineering of bacteriophage T4. A pipeline of vaccine candidates were engineered by incorporating various viral components into appropriate compartments of phage nanoparticle structure. These include: expressible spike genes in genome, spike and envelope epitopes as surface decorations, and nucleocapsid proteins in packaged core. Phage decorated with spike trimers is found to be the most potent vaccine candidate in mouse and rabbit models. Without any adjuvant, this vaccine stimulated robust immune responses, both T H 1 and T H 2 IgG subclasses, blocked virus-receptor interactions, neutralized viral infection, and conferred complete protection against viral challenge. This new type of nanovaccine design framework might allow rapid deployment of effective phage-based vaccines against any emerging pathogen in the future.