A key barrier to the development of vaccines that induce broadly neutralizing antibodies (bnAbs) against human immunodeficiency virus (HIV) and other viruses of high antigenic diversity is the design of priming immunogens that induce rare bnAb-precursor B cells. The high neutralization breadth of the HIV bnAb 10E8 makes elicitation of 10E8-class bnAbs desirable; however, the recessed epitope within gp41 makes envelope trimers poor priming immunogens and requires that 10E8-class bnAbs possess a long heavy chain complementarity determining region 3 (HCDR3) with a specific binding motif. We developed germline-targeting epitope scaffolds with affinity for 10E8-class precursors and engineered nanoparticles for multivalent display. Scaffolds exhibited epitope structural mimicry and bound bnAb-precursor human naive B cells in ex vivo screens, protein nanoparticles induced bnAb-precursor responses in stringent mouse models and rhesus macaques, and mRNA-encoded nanoparticles triggered similar responses in mice. Thus, germline-targeting epitope scaffold nanoparticles can elicit rare bnAb-precursor B cells with predefined binding specificities and HCDR3 features.

Abstract Immunoglobulins (IGs), critical components of the human immune system, are composed of heavy and light protein chains encoded at three genomic loci. The IG Kappa (IGK) chain locus consists of two large, inverted segmental duplications. The complexity of IG loci has hindered effective use of standard high- throughput methods for characterizing genetic variation within these regions. To overcome these limitations, we leverage long-read sequencing to create haplotype-resolved IGK assemblies in an ancestrally diverse cohort (n=36), representing the first comprehensive description of IGK haplotype variation at population-scale. We identify extensive locus polymorphism, including novel single nucleotide variants (SNVs) and a common novel ∼24.7 Kbp structural variant harboring a functional IGKV gene. Among 47 functional IGKV genes, we identify 141 alleles, 64 (45.4%) of which were not previously curated. We report inter-population differences in allele frequencies for 14 of the IGKV genes, including alleles unique to specific populations within this dataset. Finally, we identify haplotypes carrying signatures of gene conversion that associate with enrichment of SNVs in the IGK distal region. These data provide a critical resource of curated genomic reference information from diverse ancestries, laying a foundation for advancing our understanding of population-level genetic variation in the IGK locus.

Abstract Immunoglobulins (IGs), critical components of the human immune system, are composed of heavy and light protein chains encoded at three genomic loci. The IG Kappa (IGK) chain locus consists of two large, inverted segmental duplications. The complexity of the IG loci has hindered use of standard high-throughput methods for characterizing genetic variation within these regions. To overcome these limitations, we use long-read sequencing to create haplotype-resolved IGK assemblies in an ancestrally diverse cohort ( n = 36), representing the first comprehensive description of IGK haplotype variation. We identify extensive locus polymorphism, including novel single nucleotide variants (SNVs) and novel structural variants harboring functional IGKV genes. Among 47 functional IGKV genes, we identify 145 alleles, 67 of which were not previously curated. We report inter-population differences in allele frequencies for 10 IGKV genes, including alleles unique to specific populations within this dataset. We identify haplotypes carrying signatures of gene conversion that associate with SNV enrichment in the IGK distal region, and a haplotype with an inversion spanning the proximal and distal regions. These data provide a critical resource of curated genomic reference information from diverse ancestries, laying a foundation for advancing our understanding of population-level genetic variation in the IGK locus.