Neutralizing agents against SARS-CoV-2 are urgently needed for treatment and prophylaxis of COVID-19. Here, we present a strategy to rapidly identify and assemble synthetic human variable heavy (VH) domain binders with high affinity toward neutralizing epitopes without the need for high-resolution structural information. We constructed a VH-phage library and targeted a known neutralizing site, the angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) binding interface of the trimeric SARS-CoV-2 Spike receptor-binding domain (Spike-RBD). Using a masked selection approach, we identified 85 unique VH binders to two non-overlapping epitopes within the ACE2 binding site on Spike-RBD. This enabled us to systematically link these VH domains into multivalent and bi-paratopic formats. These multivalent and bi-paratopic VH constructs showed a marked increase in affinity to Spike (up to 600-fold) and neutralization potency (up to 1400-fold) on pseudotyped SARS-CoV-2 virus when compared to the standalone VH domains. The most potent binder, a trivalent VH, neutralized authentic SARS-CoV-2 with half-minimal inhibitory concentration (IC

Abstract A central challenge for any therapeutic is targeting diseased over normal cells. Proteolysis is frequently upregulated in disease and can generate proteoforms with unique neo-epitopes. We hypothesize that targeting proteolytic neo-epitopes can enable more effective and safer treatments, reflecting a conditional layer of disease-specific regulation. Here, we characterized the precise proteolytic isoforms of CUB domain containing protein 1 (CDCP1), a protein overexpressed and specifically cleaved in RAS-driven cancers. We validated that the N-terminal and C-terminal fragments of CDCP1 remain associated after proteolysis in vitro and on the surface of pancreatic cancer cells. Using a differential phage display strategy, we generated exquisitely selective recombinant antibodies that target cells harboring cleaved CDCP1 and not the full-length form using antibody-drug conjugates or a bi-specific T-cell engagers. We show tumor-specific localization and anti-tumor activity in a syngeneic pancreatic tumor model having superior safety profiles compared to a pan-CDCP1-targeting antibody. Our studies show proteolytic neo-epitopes can provide an orthogonal “AND” gate for disease-specific targeting. One-Sentence Summary Antibody-based targeting of neo-epitopes generated by disease-associated proteolysis improves the therapeutic index

Abstract Proteolysis is a major post-translational regulator of biology both inside and outside of cells. Broad identification of optimal cleavage sites and natural substrates of proteases is critical for drug discovery and to understand protease biology. Here we present a method that employs two genetically encoded substrate phage display libraries coupled with next generation sequencing (SPD-NGS) that allows up to 10,000-fold deeper sequence coverage of the typical 6 to 8 residue protease cleavage sites compared to state-of-the-art synthetic peptide libraries or proteomics. We applied SPD-NGS to two classes of proteases, the intracellular caspases 2, 3, 6, 7 and 8, and the ectodomains of the membrane sheddases, ADAMs 10 and 17. The first library (Lib 10AA) was used to determine substrate cleavage motifs. Lib 10AA contains a highly diverse randomized 10-mer substrate peptide sequences (10 9 unique members) that was displayed mono-valently on filamentous phage and bound to magnetic beads via an N-terminal biotin. The protease was allowed to cleave the SPD beads, and the released phage subjected to up to three total rounds of positive selection followed by next generation sequencing (NGS). This allowed us to identify from 10 4 to 10 5 unique cleavage sites over a 1000-fold dynamic range of NGS counts (ranging from 3-4000), and produced consensus and optimal cleavage motifs based positional sequencing scoring matrices that closely matched synthetic peptide data. A second SPD-NGS library (Lib hP) was constructed that allowed us to identify candidate human proteome sequences. Lib hP displayed virtually the entire human proteome tiled in contiguous 49AA sequences with 25AA overlaps (nearly 1 million members). After three rounds of positive selection we identified up to 10 4 natural linear cut sites depending on the protease and captured most of the examples previously identified by proteomics (ranging from 30 to 1500) and predicted 10 to 100-fold more. Structural bioinformatics was used to facilitate the identification of candidate natural protein substrates. SPD-NGS is rapid, reproducible, simple to perform and analyze, inexpensive, renewable, with unprecedented depth of coverage for substrate sequences. SPD-NGS is an important tool for protease biologists interested protease specificity for specific assays and inhibitors and to facilitate identification of natural protein substrates.

Abstract Directing antibodies to a particular epitope among many possible on a target protein is a significant challenge. Here we present a simple and general method for epitope-directed selection (EDS) using a differential phage selection strategy. This involves engineering the protein of interest (POI) with the epitope of interest (EOI) mutated using a systematic bioinformatics algorithm to guide the local design of an EOI decoy variant. Using several alternating rounds of negative selection with the EOI decoy variant followed by positive selection on the wild-type (WT) POI, we were able to identify highly specific and potent antibodies to five different EOI antigens that bind and functionally block known sites of proteolysis. Among these we developed highly specific antibodies that target the proteolytic site on the CUB domain containing protein 1 (CDCP1) to prevent its proteolysis allowing us to study the cellular maturation of this event that triggers malignancy. We generated antibodies that recognize the junction between the pro and catalytic domains for four different matrix metalloproteases (MMPs), such as MMP1, MMP3, and MMP9, that selectively block activation of each of these enzymes and impairs cell migration. We targeted a proteolytic epitope on the cell surface receptor, EPH Receptor A2, that is known to transform it from a tumor suppressor to an oncoprotein. We believe the EDS method greatly facilitates the generation antibodies to specific EOIs on a wide range of proteins and enzymes for broad therapeutic and diagnostic applications. Significance We have developed a highly efficient platform to facilitate the directed selection in vitro of antibodies to a wide range of functional epitopes on proteins. This method uses a bioinformatic program to guide mutations in the local site of interest to create a decoy antigen that can effectively remove antibodies not binding the site of interest by negative selection, followed by positive selection with the WT antigen to identify antibodies to the epitope of interest. We demonstrate the generality and versatility of this method by successfully producing functional antibodies to block specific proteolytically sensitive epitopes on five different proteins including enzymes important in cancer. The epitope-directed selection (EDS) approach greatly facilitates the identification of binders to specific sites of interest on proteins to probe function and as potential immunotherapeutics.