There is pressing urgency to understand the pathogenesis of the severe acute respiratory syndrome coronavirus clade 2 (SARS-CoV-2), which causes the disease COVID-19. SARS-CoV-2 spike (S) protein binds angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2), and in concert with host proteases, principally transmembrane serine protease 2 (TMPRSS2), promotes cellular entry. The cell subsets targeted by SARS-CoV-2 in host tissues and the factors that regulate ACE2 expression remain unknown. Here, we leverage human, non-human primate, and mouse single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) datasets across health and disease to uncover putative targets of SARS-CoV-2 among tissue-resident cell subsets. We identify ACE2 and TMPRSS2 co-expressing cells within lung type II pneumocytes, ileal absorptive enterocytes, and nasal goblet secretory cells. Strikingly, we discovered that ACE2 is a human interferon-stimulated gene (ISG) in vitro using airway epithelial cells and extend our findings to in vivo viral infections. Our data suggest that SARS-CoV-2 could exploit species-specific interferon-driven upregulation of ACE2, a tissue-protective mediator during lung injury, to enhance infection.

Vaccination elicits immune responses capable of potently neutralizing SARS-CoV-2. However, ongoing surveillance has revealed the emergence of variants harboring mutations in spike, the main target of neutralizing antibodies. To understand the impact of these variants, we evaluated the neutralization potency of 99 individuals that received one or two doses of either BNT162b2 or mRNA-1273 vaccines against pseudoviruses representing 10 globally circulating strains of SARS-CoV-2. Five of the 10 pseudoviruses, harboring receptor-binding domain mutations, including K417N/T, E484K, and N501Y, were highly resistant to neutralization. Cross-neutralization of B.1.351 variants was comparable to SARS-CoV and bat-derived WIV1-CoV, suggesting that a relatively small number of mutations can mediate potent escape from vaccine responses. While the clinical impact of neutralization resistance remains uncertain, these results highlight the potential for variants to escape from neutralizing humoral immunity and emphasize the need to develop broadly protective interventions against the evolving pandemic.

Prototype DNA vaccines for SARS-CoV-2 The development of a vaccine to protect against severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is an urgent biomedical need. Yu et al. designed a series of prototype DNA vaccines against the SARS-CoV-2 spike protein, which is used by the virus to bind and invade human cells. Analysis of the vaccine candidates in rhesus macaques showed that animals developed protective humoral and cellular immune responses when challenged with the virus. Neutralizing antibody titers were also observed at levels similar to those seen in humans who have recovered from SARS-CoV-2 infection. Science , this issue p. 806

We show that SARS-CoV-2 spike protein interacts with both cellular heparan sulfate and angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) through its receptor-binding domain (RBD). Docking studies suggest a heparin/heparan sulfate-binding site adjacent to the ACE2-binding site. Both ACE2 and heparin can bind independently to spike protein in vitro, and a ternary complex can be generated using heparin as a scaffold. Electron micrographs of spike protein suggests that heparin enhances the open conformation of the RBD that binds ACE2. On cells, spike protein binding depends on both heparan sulfate and ACE2. Unfractionated heparin, non-anticoagulant heparin, heparin lyases, and lung heparan sulfate potently block spike protein binding and/or infection by pseudotyped virus and authentic SARS-CoV-2 virus. We suggest a model in which viral attachment and infection involves heparan sulfate-dependent enhancement of binding to ACE2. Manipulation of heparan sulfate or inhibition of viral adhesion by exogenous heparin presents new therapeutic opportunities.

Summary

 Recent surveillance has revealed the emergence of the SARS-CoV-2 Omicron variant (BA.1/B.1.1.529) harboring up to 36 mutations in spike protein, the target of neutralizing antibodies. Given its potential to escape vaccine-induced humoral immunity, we measured the neutralization potency of sera from 88 mRNA-1273, 111 BNT162b, and 40 Ad26.COV2.S vaccine recipients against wild-type, Delta, and Omicron SARS-CoV-2 pseudoviruses. We included individuals that received their primary series recently (<3 months), distantly (6–12 months), or an additional "booster" dose, while accounting for prior SARS-CoV-2 infection. Remarkably, neutralization of Omicron was undetectable in most vaccinees. However, individuals boosted with mRNA vaccines exhibited potent neutralization of Omicron, only 4–6-fold lower than wild type, suggesting enhanced cross-reactivity of neutralizing antibody responses. In addition, we find that Omicron pseudovirus infects more efficiently than other variants tested. Overall, this study highlights the importance of additional mRNA doses to broaden neutralizing antibody responses against highly divergent SARS-CoV-2 variants.

Immunity from reinfection One of the many open questions about severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infection is whether an individual who has cleared the virus can be infected a second time and get sick. Chandrashekar et al. and Deng et al. generated rhesus macaque models of SARS-CoV-2 infection and tested whether natural SARS-CoV-2 infection could result in immunity to viral rechallenge. They found that animals indeed developed immune responses that protected against a second infection. Although there are differences between SARS-CoV-2 infection in macaques and in humans, these findings have key implications for public health and economic initiatives if validated in human studies. Science , this issue p. 812 , p. 818

Coronavirus disease 2019 (COVID-19) exhibits variable symptom severity ranging from asymptomatic to life-threatening, yet the relationship between severity and the humoral immune response is poorly understood. We examined antibody responses in 113 COVID-19 patients and found that severe cases resulting in intubation or death exhibited increased inflammatory markers, lymphopenia, pro-inflammatory cytokines, and high anti-receptor binding domain (RBD) antibody levels. Although anti-RBD immunoglobulin G (IgG) levels generally correlated with neutralization titer, quantitation of neutralization potency revealed that high potency was a predictor of survival. In addition to neutralization of wild-type SARS-CoV-2, patient sera were also able to neutralize the recently emerged SARS-CoV-2 mutant D614G, suggesting cross-protection from reinfection by either strain. However, SARS-CoV-2 sera generally lacked cross-neutralization to a highly homologous pre-emergent bat coronavirus, WIV1-CoV, which has not yet crossed the species barrier. These results highlight the importance of neutralizing humoral immunity on disease progression and the need to develop broadly protective interventions to prevent future coronavirus pandemics.

Humoral responses in coronavirus disease 2019 (COVID-19) are often of limited durability, as seen with other human coronavirus epidemics. To address the underlying etiology, we examined post mortem thoracic lymph nodes and spleens in acute SARS-CoV-2 infection and observed the absence of germinal centers and a striking reduction in Bcl-6+ germinal center B cells but preservation of AID+ B cells. Absence of germinal centers correlated with an early specific block in Bcl-6+ TFH cell differentiation together with an increase in T-bet+ TH1 cells and aberrant extra-follicular TNF-α accumulation. Parallel peripheral blood studies revealed loss of transitional and follicular B cells in severe disease and accumulation of SARS-CoV-2-specific "disease-related" B cell populations. These data identify defective Bcl-6+ TFH cell generation and dysregulated humoral immune induction early in COVID-19 disease, providing a mechanistic explanation for the limited durability of antibody responses in coronavirus infections, and suggest that achieving herd immunity through natural infection may be difficult.

We measured plasma and/or serum antibody responses to the receptor-binding domain (RBD) of the spike (S) protein of SARS-CoV-2 in 343 North American patients infected with SARS-CoV-2 (of which 93% required hospitalization) up to 122 days after symptom onset and compared them to responses in 1548 individuals whose blood samples were obtained prior to the pandemic. After setting seropositivity thresholds for perfect specificity (100%), we estimated sensitivities of 95% for IgG, 90% for IgA, and 81% for IgM for detecting infected individuals between 15 and 28 days after symptom onset. While the median time to seroconversion was nearly 12 days across all three isotypes tested, IgA and IgM antibodies against RBD were short-lived with median times to seroreversion of 71 and 49 days after symptom onset. In contrast, anti-RBD IgG responses decayed slowly through 90 days with only 3 seropositive individuals seroreverting within this time period. IgG antibodies to SARS-CoV-2 RBD were strongly correlated with anti-S neutralizing antibody titers, which demonstrated little to no decrease over 75 days since symptom onset. We observed no cross-reactivity of the SARS-CoV-2 RBD-targeted antibodies with other widely circulating coronaviruses (HKU1, 229 E, OC43, NL63). These data suggest that RBD-targeted antibodies are excellent markers of previous and recent infection, that differential isotype measurements can help distinguish between recent and older infections, and that IgG responses persist over the first few months after infection and are highly correlated with neutralizing antibodies.

Biological data are lacking with respect to risk of vertical transmission and mechanisms of fetoplacental protection in maternal severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infection.To quantify SARS-CoV-2 viral load in maternal and neonatal biofluids, transplacental passage of anti-SARS-CoV-2 antibody, and incidence of fetoplacental infection.This cohort study was conducted among pregnant women presenting for care at 3 tertiary care centers in Boston, Massachusetts. Women with reverse transcription-polymerase chain reaction (RT-PCR) results positive for SARS-CoV-2 were recruited from April 2 to June 13, 2020, and follow-up occurred through July 10, 2020. Contemporaneous participants without SARS-CoV-2 infection were enrolled as a convenience sample from pregnant women with RT-PCR results negative for SARS-CoV-2.SARS-CoV-2 infection in pregnancy, defined by nasopharyngeal swab RT-PCR.The main outcomes were SARS-CoV-2 viral load in maternal plasma or respiratory fluids and umbilical cord plasma, quantification of anti-SARS-CoV-2 antibodies in maternal and cord plasma, and presence of SARS-CoV-2 RNA in the placenta.Among 127 pregnant women enrolled, 64 with RT-PCR results positive for SARS-CoV-2 (mean [SD] age, 31.6 [5.6] years) and 63 with RT-PCR results negative for SARS-CoV-2 (mean [SD] age, 33.9 [5.4] years) provided samples for analysis. Of women with SARS-CoV-2 infection, 23 (36%) were asymptomatic, 22 (34%) had mild disease, 7 (11%) had moderate disease, 10 (16%) had severe disease, and 2 (3%) had critical disease. In viral load analyses among 107 women, there was no detectable viremia in maternal or cord blood and no evidence of vertical transmission. Among 77 neonates tested in whom SARS-CoV-2 antibodies were quantified in cord blood, 1 had detectable immunoglobuilin M to nucleocapsid. Among 88 placentas tested, SARS-CoV-2 RNA was not detected in any. In antibody analyses among 37 women with SARS-CoV-2 infection, anti-receptor binding domain immunoglobin G was detected in 24 women (65%) and anti-nucleocapsid was detected in 26 women (70%). Mother-to-neonate transfer of anti-SARS-CoV-2 antibodies was significantly lower than transfer of anti-influenza hemagglutinin A antibodies (mean [SD] cord-to-maternal ratio: anti-receptor binding domain immunoglobin G, 0.72 [0.57]; anti-nucleocapsid, 0.74 [0.44]; anti-influenza, 1.44 [0.80]; P < .001). Nonoverlapping placental expression of SARS-CoV-2 receptors angiotensin-converting enzyme 2 and transmembrane serine protease 2 was noted.In this cohort study, there was no evidence of placental infection or definitive vertical transmission of SARS-CoV-2. Transplacental transfer of anti-SARS-CoV-2 antibodies was inefficient. Lack of viremia and reduced coexpression and colocalization of placental angiotensin-converting enzyme 2 and transmembrane serine protease 2 may serve as protective mechanisms against vertical transmission.