Abstract An antibody molecule that is able to bind to multiple distinct antigens is defined as polyreactive. In the present study we performed statistical analyses to assess sequence correlates of polyreactivity of >600 antibodies cloned from different B cell types of healthy humans. The data reveled a number of sequence patterns of variable regions of heavy and light immunoglobulin chains that determine polyreactivity. The most prominent identified patterns were increased number of basic amino acid residues, reduced frequency of acidic residues, increased number of aromatic and hydrophobic residues, as well as longer length of CDR L1. Importantly, our study revealed that antibodies isolated from different B cell population used distinct sequence patterns (or combinations of them) for polyreactive antigen binding. Furthermore, we combined the data from sequence analyses with molecular modeling of selected polyreactive antibodies, and demonstrate that human antibodies can use multiple pathways for achieving antigen binding promiscuity. These data reconcile some contradictions in literature regarding the determinants of antibody polyreactivity. Moreover, our study demonstrates that mechanism of polyreactivity of antibodies evolves during immune response and might be tailored to specific functional properties of different B cell compartments. Finally, these data can be of use for efforts in development and engineering of therapeutic antibodies.

Abstract Immune system in bats features multiple unique properties that result in overall dampened inflammatory responses and increased tissue protection, explaining their tolerance to viral infections and unusually long lifespan. As heterothermic animals, bats exhibit large variations in body temperature on a daily and seasonal basis. In the present study, we demonstrated that temperature fluctuations corresponding to different physiological states in bats exert a dramatic impact on bat antibody repertoires. At temperatures typical for elevated metabolic activity during flight, IgG antibodies from Myotis myotis (Borkhausen, 1797) and Nyctalus noctula (Schreber, 1774) largely broaden their antigen binding diversity and affinity, recognizing both pathogen-derived and autoantigens. On the contrary, at temperatures reflecting inactive physiological states (torpor, hibernation), the breadth of immune diversity is substantially reduced. Importantly, temperature-dependent diversification of antibody specificities results in preferential recognition of damaged but not alive endothelial cells. This indicats that metabolism might influence not only pathogen recognition function but also anti-inflammatory functions of bat antibodies. Our mechanistic studies revealed particular molecular features of bat IgG, such as low thermodynamic stability and increased hydrophobicity, that can explain their distinctive behavior. This study reveals another facet of the enigmatic immune system of bats, extends our understanding of disease tolerance, highlights the link between metabolism and immunity, and might have important repercussions for human health.

Abstract The bat immune system features multiple unique properties such as dampened inflammatory responses and increased tissue protection, explaining their long lifespan and tolerance to viral infections. Here, we demonstrated that body temperature fluctuations corresponding to different physiological states in bats exert a large impact on their antibody repertoires. At elevated temperatures typical for flight, IgG from the bat species Myotis myotis and Nyctalus noctula show elevated antigen binding strength and diversity, recognizing both pathogen-derived antigens and autoantigens. The opposite is observed at temperatures reflecting inactive physiological states. IgG antibodies of human and other mammals, or antibodies of birds do not appear to behave in a similar way. Importantly, diversification of bat antibody specificities results in preferential recognition of damaged endothelial and epithelial cells, indicating an anti-inflammatory function. The temperature-sensitivity of bat antibodies is mediated by the variable regions of immunoglobulin molecules. Additionally, we uncover specific molecular features of bat IgG, such as low thermodynamic stability and implication of hydrophobic interactions in antigen binding as well as high prevalence of polyreactivity. Overall, our results extend the understanding of bat tolerance to disease and inflammation and highlight the link between metabolism and immunity.

Abstract SARS-CoV-2 infects cells by attachment to its receptor – the angiotensin converting enzyme 2 (ACE2). Regardless of the wealth of structural data, little is known about the physicochemical mechanism of interactions of the viral spike (S) protein with ACE2 and how this mechanism has evolved during the pandemic. Here, we applied experimental and computational approaches to characterize the molecular interaction of S proteins from SARS-CoV-2 variants of concern (VOC). Data on kinetics, activation- and equilibrium thermodynamics of binding of the receptor binding domain (RBD) from VOC with ACE2 as well as data from computational protein electrostatics revealed a profound remodeling of the physicochemical characteristics of the interaction during the evolution. Thus, as compared to RBDs from Wuhan strain and other VOC, Omicron RBD presented as a unique protein in terms of conformational dynamics and types of non-covalent forces driving the complex formation with ACE2. Viral evolution resulted in a restriction of the RBD structural dynamics, and a shift to a major role of polar forces for ACE2 binding. Further, we investigated how the reshaping of the physicochemical characteristics of interaction affect the binding specificity of S proteins. Data from various binding assays revealed that SARS-CoV-2 Wuhan and Omicron RBDs manifest capacity for promiscuous recognition of unrelated human proteins, but they harbor distinct reactivity patterns. These findings might contribute for mechanistic understanding of the viral tropism, and capacity to evade immune responses during evolution.