The SARS-coronavirus 2 (SARS-CoV-2) spike (S) protein mediates viral entry into cells expressing the angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2). The S protein engages ACE2 through its receptor-binding domain (RBD), an independently folded 197-amino acid fragment of the 1273-amino acid S-protein protomer. The RBD is the primary SARS-CoV-2 neutralizing epitope and a critical target of any SARS-CoV-2 vaccine. Here we show that this RBD conjugated to each of two carrier proteins elicited more potent neutralizing responses in immunized rodents than did a similarly conjugated proline-stabilized S-protein ectodomain. Nonetheless, the native RBD expresses inefficiently, limiting its usefulness as a vaccine antigen. However, we show that an RBD engineered with four novel glycosylation sites (gRBD) expresses markedly more efficiently, and generates a more potent neutralizing responses as a DNA vaccine antigen, than the wild-type RBD or the full-length S protein, especially when fused to multivalent carriers such as an H. pylori ferritin 24-mer. Further, gRBD is more immunogenic than the wild-type RBD when administered as a subunit protein vaccine. Our data suggest that multivalent gRBD antigens can reduce costs and doses, and improve the immunogenicity, of all major classes of SARS-CoV-2 vaccines.

Abstract B cells have been engineered ex vivo to express an HIV-1 broadly neutralizing antibody (bNAb). B-cell reprograming may be scientifically and therapeutically useful, but current approaches limit B-cell repertoire diversity and disrupt the organization of the heavy-chain locus. A more diverse and physiologic B-cell repertoire targeting a key HIV-1 epitope could facilitate evaluation of vaccines designed to elicit bNAbs, help identity more potent and bioavailable bNAb variants, or directly enhance viral control in vivo . Here we address the challenges of generating such a repertoire by replacing the heavy-chain CDR3 (HCDR3) regions of primary human B cells. To do so, we identified and utilized an uncharacterized Cas12a ortholog that recognizes PAM motifs present in human JH genes. We also optimized the design of 200 nucleotide homology-directed repair templates (HDRT) by minimizing the required 3’-5’ deletion of the HDRT-complementary strand. Using these techniques, we edited primary human B cells to express a hemagglutinin epitope tag and the HCDR3 regions of the bNAbs PG9 and CH01. Those edited with bNAb HCDR3 efficiently bound trimeric HIV-1 antigens, implying they could affinity mature in vivo in response to the same antigens. This approach generates diverse B-cell repertoires recognizing a key HIV-1 neutralizing epitope.

The SARS-coronavirus 2 (SARS-CoV-2) spike (S) protein mediates entry of SARS-CoV-2 into cells expressing the angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2). The S protein engages ACE2 through its receptor-binding domain (RBD), an independently folded 197-amino acid fragment of the 1273-amino acid S-protein protomer. Antibodies to the RBD domain of SARS-CoV (SARS-CoV-1), a closely related coronavirus which emerged in 2002-2003, have been shown to potently neutralize SARS-CoV-1 S-protein-mediated entry, and the presence of anti-RBD antibodies correlates with neutralization in SARS-CoV-2 convalescent sera. Here we show that immunization with the SARS-CoV-2 RBD elicits a robust neutralizing antibody response in rodents, comparable to 100 μg/ml of ACE2-Ig, a potent SARS-CoV-2 entry inhibitor. Importantly, anti-sera from immunized animals did not mediate antibody-dependent enhancement (ADE) of S-protein-mediated entry under conditions in which Zika virus ADE was readily observed. These data suggest that an RBD-based vaccine for SARS-CoV-2 could be safe and effective.

SUMMARY V2-glycan/apex broadly neutralizing antibodies (bnAbs) recognize a closed quaternary epitope of the HIV-1 envelope glycoprotein (Env). This closed structure is necessary to elicit apex antibodies and useful to guide maturation of other bnAb classes. To compare antigens designed to maintain this conformation, apex-specific responses were monitored in mice engrafted with a diverse repertoire of B cells expressing the HCDR3 of the apex bnAb VRC26.25. Engineered B cells affinity matured, guiding improvement of VRC26.25 itself. We found that soluble Env (SOSIP) variants differed significantly in their ability to raise anti-apex responses. A transmembrane SOSIP (SOSIP-TM) delivered as an mRNA-lipid nanoparticle elicited more potent neutralizing responses than multimerized SOSIP proteins. Importantly, SOSIP-TM elicited neutralizing sera from B cells engineered with the predicted VRC26.25-HCDR3 progenitor, which also affinity matured. Our data show that HCDR3-edited B cells facilitate efficient in vivo comparisons of Env antigens and highlight the potential of an HCDR3-focused vaccine approach.

CRISPR-edited murine B cells engineered to express human antibody variable chains proliferate, class switch, and secrete these antibodies in vaccinated mice. However, current strategies disrupt the heavy-chain locus, resulting in inefficient somatic hypermutation without functional affinity maturation. Here we show that recombined murine heavy- and kappa-variable genes can be directly and simultaneously overwritten, using Cas12a-mediated cuts at their 39-most J segments and 59 homology arms complementary to distal V segments. Cells edited in this way to express the HIV-1 broadly neutralizing antibodies 10-1074 or VRC26.25-y robustly hypermutated and generated potent neutralizing plasma in vaccinated recipient mice. 10-1074 variants isolated from these mice bound and neutralized HIV-1 envelope glycoprotein more efficiently than wild-type 10-1074 while maintaining or improving its already low polyreactivity and long in vivo half-life. We further validated this approach by generating substantially broader and more potent variants of the anti-SARS-CoV-2 antibodies ZCB11 and S309. Thus, B cells edited at their native loci affinity mature, facilitating development of broad, potent, and bioavailable antibodies and expanding the potential applications of engineered B cells.

ABSTRACT Many human proteins have been repurposed as biologics for clinical use. These proteins have been engineered with in vitro techniques that improve affinity for their ligands. However, these approaches do not select against properties that impair efficacy such as protease sensitivity or self-reactivity. Here we engineer the B-cell receptor of primary murine B cells to express a human protein biologic without disrupting their ability to affinity mature. Specifically, CD4 domains 1 and 2 (D1D2) of a half-life enhanced-HIV-1 entry inhibitor CD4-Ig (CD4-Ig-v0) were introduced into the heavy-chain loci of murine B cells, which were then adoptively transferred to wild-type mice. After immunization, transferred B cells proliferated, class switched, affinity matured, and efficiently produced D1D2-presenting antibodies. Somatic hypermutations found in the D1D2-encoding region of engrafted B cells improved binding affinity of CD4-Ig-v0 for the HIV-1 envelope glycoprotein (Env) and the neutralization potency of CD4-Ig-v0 by more than ten-fold across a global panel of HIV-1 isolates, without impairing its pharmacokinetic properties. Thus, affinity maturation of non-antibody protein biologics in vivo can guide development of more effective therapeutics.

Eastern China is a major producer of fishery products (including inland aquaculture, coastal mariculture, and coastal fishing products). The quality of the products is affected by hydrophobic organic contaminants (HOCs) in the sediments. Based on in-vitro luminescent bacterial assay, the baseline toxicity (BEQ