Abstract Evolving diversity in globally circulating HIV-1 subtypes presents formidable challenge in defining and developing neutralizing antibodies for prevention and treatment. HIV-1 subtype C is responsible for majority of global HIV-1 infections. Broadly neutralizing antibodies (bnAbs) capable of neutralizing distinct HIV-1 subtypes by targeting conserved vulnerable epitopes on viral envelope protein (Env) are being considered as promising antiviral agents for prevention and treatment. In the present study, we examined the diversity in genetic signatures and attributes that differentiate region-specific global HIV-1 subtype C gp120 sequences associated with virus neutralization outcomes to key bnAbs having distinct epitope specificities. A total of 1814 full length HIV-1 subtype C gp120 sequence from 37 countries were retrieved from Los Alamos National Laboratory HIV database ( www.hiv.lanl.gov ). The amino acid sequences were assessed for their phylogenetic association, variable loop lengths and prevalence of potential N-linked glycosylation sites (pNLGS). Responses of these sequences to bnAbs were predicted with a machine learning algorithm ‘bNAb-ReP’ and compared with those reported in the CATNAP database. Phylogenetically, sequences from Asian countries including India clustered together however differed significantly when compared with pan African subtype C sequences. Variable loop lengths within Indian and African clusters were distinct from each other, specifically V1, V2 and V4 loops. Furthermore, V1V2 and V2 alone sequences were also found to vary significantly in their charges. Pairwise analyses at each of the 25 pNLG sites indicated distinct country specific profiles. Highly significant differences (p<0.001***) were observed in prevalence of four pNLGS (N130, N295, N392 and N448) between South Africa and India, having most disease burden associated with subtype C. Our findings highlight that the distinctly evolving clusters within global intra-subtype C gp120 sequences are likely to influence the disparate region-specific sensitivity of circulating HIV-1 subtype C to bnAbs.

Abstract Understanding the quality of immune repertoire triggered during natural infection can provide vital clues that form the basis for development of humoral immune response in some individuals capable of broadly neutralizing pan SARS-CoV-2 variants. We assessed the diversity of neutralizing antibody responses developed in an unvaccinated individual infected with ancestral SARS-CoV-2 by examining the ability of the distinct B cell germline-derived monoclonal antibodies (mAbs) in neutralizing known and currently circulating Omicron variants by pseudovirus and authentic virus neutralization assays. The ability of the antibodies developed post vaccination in neutralizing Omicron variants was compared to that obtained at baseline of the same individual and to those obtained from Omicron breakthrough infected individuals by pseudovirus neutralization assay. Broadly SARS-CoV-2 neutralizing mAbs representing unique B cell lineages with non-overlapping epitope specificities isolated from a single donor varied in their ability to neutralize Omicron variants. Plasma antibodies developed post vaccination from this individual demonstrated neutralization of Omicron BA.1, BA.2 and BA.4 with increased magnitude and found to be comparable with those obtained from other vaccinated individuals who were infected with ancestral SARS-CoV-2. Development of B cell repertoire capable of producing antibodies with distinct affinity and specificities for the antigen immediately after infection capable of eliciting broadly neutralizing antibodies offers highest probability in protecting against evolving SARS-CoV-2 variants. Importance Development of robust neutralizing antibodies in SARS-CoV-2 convalescent individuals is known, however varies at population level. We isolated monoclonal antibodies from an individual infected with ancestral SARS-CoV-2 in early 2020 that not only varied in their B cell lineage origin but also varied in their capability and potency to neutralize all the known VOC and currently circulating Omicron variants. This indicated establishment of unique lineages that contributed in forming B cell repertoire in this particular individual immediately following infection giving rise to diverse antibody responses that could compensate each other in providing broadly neutralizing polyclonal antibody response. Individuals who were able to produce such potent polyclonal antibody responses after infection have a higher chance of being protected from evolving SARS-CoV-2 variants.

Abstract While vaccines have by large been found to effective against the evolving SARS-CoV-2 variants, the profound and rapid effectivity of monoclonal antibodies (mAbs) in significantly reducing hospitalization to severe disease outcomes have also been demonstrated. In the present study, by high resolution cryo-electron microscopy (cryo-EM), we examined the structural insights of two trimeric spike (S) protein bound mAbs isolated from an Indian convalescent individual infected with ancestral SARS-CoV-2 which we recently reported to potently neutralize SARS-CoV-2 from its ancestral form through highly virulent Delta form however different in their ability to neutralize Omicron variants. Our findings showed binding and conformational heterogeneities of both the mAbs (THSC20.HVTR04 and THSC20.HVTR26) bound to S trimer in its apo and hACE-2 bound forms. Additionally, cryo-EM resolved structure assisted modeling highlighted key residues associated with the ability of these two mAbs to neutralize Omicron variants. Our findings highlighted key interacting features modulating antigen-antibody interacting that can further aid in structure guided antibody engineering to enhance their breadth and potency. Highlights Two potent human mAbs obtained from a single donor differ binding to Omicron spikes Pattern of binding and conformation of these mAbs bound to full length spike differs Antibody binding alters the conformational states of S trimer in its apo and hACE-2 bound forms. Cryo-EM structure guided modeling highlighted correlates of interacting residues associated with resistance and sensitivity of BA.1, BA.2, BA.4/BA.5 resistance and sensitivity against these mAbs.

Abstract Evaluating the structure-function relationship of viral envelope (Env) evolution and the development of broadly cross-neutralizing antibodies (bnAbs) in natural infection can inform rational immunogen design. In the present study, we examined the magnitude and specificity of autologous neutralizing antibodies induced in rabbits by a novel HIV-1 clade C Env protein (1PGE-THIVC) vis-à-vis those developed in an elite neutralizer from whom the env sequence was obtained that was used to prepare the soluble Env protein. The thermostable 1PGE-THIVC Env displayed a native like pre-fusion closed conformation in solution as determined by small angle X-ray scattering (SAXS) and negative stain electron microscopy (EM). This closed spike conformation of 1PGE-THIVC Env trimers was correlated with weak or undetectable binding of non-neutralizing monoclonal antibodies (mAbs) compared to neutralizing mAbs. Furthermore, 1PGE-THIVC SOSIP induced potent neutralizing antibodies in rabbits to autologous virus variants. The autologous neutralizing antibody specificity induced in rabbits by 1PGE-THIVC was mapped to the C3/V4 region (T362/P401) of viral Env. This observation agreed with electron microscopy polyclonal epitope mapping (EMPEM) of the Env trimer complexed with IgG Fab prepared from the immunized rabbit sera. While the specificity of antibodies elicited in rabbits associated with neutralizing autologous viruses were distinct to those developed in the elite neutralizer, EMPEM analysis demonstrated significant changes to Env conformations when incubated with polyclonal antibody sera from the elite neutralizer, suggesting these antibodies lead to the destabilization of Env trimers. Our study not only shows distinct mechanisms associated with potent neutralization of sequence matched and unmatched autologous viruses by antibodies induced in rabbits and in the elite neutralizer, but also highlights how neutralizing antibodies developed during the course of natural infection can impact viral Env conformations. Author Summary The interplay between circulating virus variants and broadly cross neutralizing polyclonal antibodies developed in a subset of elite neutralizers is widely believed to provide strategies for rational immunogen design. In the present study, we studied the structural, antigenic and immunogenic properties of a thermostable soluble trimeric protein with near native pre-fusion conformation prepared using the primary sequence of an HIV-1 clade C env isolated from the broadly cross neutralizing plasma of an elite neutralizer. This novel SOSIP Env trimer demonstrated comparable antigenic, structural and immunogenic properties that favoured several ongoing subunit vaccine design efforts. The novel clade C SOSIP induced polyclonal neutralizing antibody response developed in rabbits not only differed in its epitope specificity compared to that elicited in natural infection in presence of pool of viral quasispecies but also showed how they differ in their ability to influence Env structure and conformation. A better understanding of how vaccine-induced polyclonal neutralizing antibody responses compares to responses that developed in natural infection will improve our knowledge in designing better vaccine design strategies.

Although efficacious vaccines have significantly reduced the morbidity and mortality due to COVID-19, there remains an unmet medical need for treatment options, which monoclonal antibodies (mAbs) can potentially fill. This unmet need is exacerbated by the emergence and spread of SARS-CoV-2 variants of concern (VOCs) that have shown some resistance to vaccine responses. Here we report the isolation of two highly potently neutralizing mAbs (THSC20.HVTR04 and THSC20.HVTR26) from an Indian convalescent donor, that neutralize SARS-CoV-2 VOCs at picomolar concentrations including the delta variant (B.1.617.2). These two mAbs target non-overlapping epitopes on the receptor-binding domain (RBD) of the spike protein thereby preventing the virus attachment to its host receptor, human angiotensin converting enzyme-2 (hACE2). Furthermore, the mAb cocktail demonstrated protection against the Delta variant at low antibody doses when passively administered in the K18 hACE2 transgenic mice model, highlighting their potential as cocktail for prophylactic and therapeutic applications. Developing the capacity to rapidly discover and develop mAbs effective against highly transmissible pathogens like coronaviruses at a local level, especially in a low- and middle-income country (LMIC) such as India, will enable prompt responses to future pandemics as an important component of global pandemic preparedness.