Neutralizing antibodies elicited by prior infection or vaccination are likely to be key for future protection of individuals and populations against SARS-CoV-2. Moreover, passively administered antibodies are among the most promising therapeutic and prophylactic anti-SARS-CoV-2 agents. However, the degree to which SARS-CoV-2 will adapt to evade neutralizing antibodies is unclear. Using a recombinant chimeric VSV/SARS-CoV-2 reporter virus, we show that functional SARS-CoV-2 S protein variants with mutations in the receptor binding domain (RBD) and N-terminal domain that confer resistance to monoclonal antibodies or convalescent plasma can be readily selected. Notably, SARS-CoV-2 S variants that resist commonly elicited neutralizing antibodies are now present at low frequencies in circulating SARS-CoV-2 populations. Finally, the emergence of antibody-resistant SARS-CoV-2 variants that might limit the therapeutic usefulness of monoclonal antibodies can be mitigated by the use of antibody combinations that target distinct neutralizing epitopes.

The emergence of SARS-CoV-2 and the ensuing explosive epidemic of COVID19 disease has generated a need for assays to rapidly and conveniently measure the antiviral activity of SARSCoV-2-specific antibodies. Here, we describe a collection of approaches based on SARS-CoV-2 spike-pseudotyped, single-cycle, replication-defective human immunodeficiency virus type-1 (HIV-1) and vesicular stomatitis virus (VSV), as well as a replication-competent VSV/SARS-CoV-2 chimeric virus. While each surrogate virus exhibited subtle differences in the sensitivity with which neutralizing activity was detected, the neutralizing activity of both convalescent plasma and human monoclonal antibodies measured using each virus correlated quantitatively with neutralizing activity measured using an authentic SARS-CoV-2 neutralization assay. The assays described herein are adaptable to high throughput and are useful tools in the evaluation of serologic immunity conferred by vaccination or prior SARS-CoV-2 infection, as well as the potency of convalescent plasma or human monoclonal antibodies.

Over one year after its inception, the coronavirus disease-2019 (COVID-19) pandemic caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus-2 (SARS-CoV-2) remains difficult to control despite the availability of several excellent vaccines. Progress in controlling the pandemic is slowed by the emergence of variants that appear to be more transmissible and more resistant to antibodies 1,2 . Here we report on a cohort of 63 COVID-19-convalescent individuals assessed at 1.3, 6.2 and 12 months after infection, 41% of whom also received mRNA vaccines 3,4 . In the absence of vaccination antibody reactivity to the receptor binding domain (RBD) of SARS-CoV-2, neutralizing activity and the number of RBD-specific memory B cells remain relatively stable from 6 to 12 months. Vaccination increases all components of the humoral response, and as expected, results in serum neutralizing activities against variants of concern that are comparable to or greater than neutralizing activity against the original Wuhan Hu-1 achieved by vaccination of naïve individuals 2,5-8 . The mechanism underlying these broad-based responses involves ongoing antibody somatic mutation, memory B cell clonal turnover, and development of monoclonal antibodies that are exceptionally resistant to SARS-CoV-2 RBD mutations, including those found in variants of concern 4,9 . In addition, B cell clones expressing broad and potent antibodies are selectively retained in the repertoire over time and expand dramatically after vaccination. The data suggest that immunity in convalescent individuals will be very long lasting and that convalescent individuals who receive available mRNA vaccines will produce antibodies and memory B cells that should be protective against circulating SARS-CoV-2 variants.

SUMMARY The ongoing SARS-CoV-2 pandemic has devastated the global economy and claimed nearly one million lives, presenting an urgent global health crisis. To identify host factors required for infection by SARS-CoV-2 and seasonal coronaviruses, we designed a focused high-coverage CRISPR-Cas9 library targeting 332 members of a recently published SARS-CoV-2 protein interactome. We leveraged the compact nature of this library to systematically screen four related coronaviruses (HCoV-229E, HCoV-NL63, HCoV-OC43 and SARS-CoV-2) at two physiologically relevant temperatures (33 °C and 37 °C), allowing us to probe this interactome at a much higher resolution relative to genome scale studies. This approach yielded several new insights, including unexpected virus and temperature specific differences in Rab GTPase requirements and GPI anchor biosynthesis, as well as identification of multiple pan-coronavirus factors involved in cholesterol homeostasis. This coronavirus essentiality catalog could inform ongoing drug development efforts aimed at intercepting and treating COVID-19, and help prepare for future coronavirus outbreaks. HIGHLIGHTS Focused CRISPR screens targeting host factors in the SARS-CoV-2 interactome were performed for SARS-CoV-2, HCoV-229E, HCoV-NL63, and HCoV-OC43 coronaviruses. Focused interactome CRISPR screens achieve higher resolution compared to genome-wide screens, leading to the identification of critical factors missed by the latter. Parallel CRISPR screens against multiple coronaviruses uncover host factors and pathways with pan-coronavirus and virus-specific functional roles. The number of host proteins that interact with a viral bait protein is not proportional to the number of functional interactors. Novel SARS-CoV-2 host factors are expressed in relevant cell types in the human airway.

T cell-mediated immunity may play a critical role in controlling and establishing protective immunity against SARS-CoV-2 infection; yet the repertoire of viral epitopes responsible for T cell response activation remains mostly unknown. Identification of viral peptides presented on class I human leukocyte antigen (HLA-I) can reveal epitopes for recognition by cytotoxic T cells and potential incorporation into vaccines. Here, we report the first HLA-I immunopeptidome of SARS-CoV-2 in two human cell lines at different times post-infection using mass spectrometry. We found HLA-I peptides derived not only from canonical ORFs, but also from internal out-of-frame ORFs in Spike and Nucleoprotein not captured by current vaccines. Proteomics analyses of infected cells revealed that SARS-CoV-2 may interfere with antigen processing and immune signaling pathways. Based on the endogenously processed and presented viral peptides that we identified, we estimate that a pool of 24 peptides would provide one or more peptides for presentation by at least one HLA allele in 99% of the human population. These biological insights and the list of naturally presented SARS-CoV-2 peptides will facilitate data-driven selection of peptides for immune monitoring and vaccine development.

SUMMARY The COVID-19 pandemic has claimed the lives of more than one million people worldwide. The causative agent, SARS-CoV-2, is a member of the Coronaviridae family, which are viruses that cause respiratory infections of varying severity. The cellular host factors and pathways co-opted by SARS-CoV-2 and other coronaviruses in the execution of their life cycles remain ill-defined. To develop an extensive compendium of host factors required for infection by SARS-CoV-2 and three seasonal coronaviruses (HCoV-OC43, HCoV-NL63, and HCoV-229E), we performed parallel genome-scale CRISPR knockout screens. These screens uncovered multiple host factors and pathways with pan-coronavirus and virus-specific functional roles, including major dependency on glycosaminoglycan biosynthesis, SREBP signaling, and glycosylphosphatidylinositol biosynthesis, as well as an unexpected requirement for several poorly characterized proteins. We identified an absolute requirement for the VTT-domain containing protein TMEM41B for infection by SARS-CoV-2 and all other coronaviruses. This human Coronaviridae host factor compendium represents a rich resource to develop new therapeutic strategies for acute COVID-19 and potential future coronavirus spillover events. HIGHLIGHTS Genome-wide CRISPR screens for SARS-CoV-2, HCoV-OC43, HCoV-NL63, and HCoV-229E coronavirus host factors. Parallel genome-wide CRISPR screening uncovered host factors and pathways with pan-coronavirus and virus-specific functional roles. Coronaviruses co-opt multiple biological pathways, including glycosaminoglycan biosynthesis, SREBP signaling, and glycosylphosphatidylinositol biosynthesis and anchoring, among others. TMEM41B - a poorly understood factor with roles in autophagy and lipid mobilization - is a critical pan-coronavirus host factor.

SARS-CoV-2 infection or vaccination produces neutralizing antibody responses that contribute to better clinical outcomes. The receptor binding domain (RBD) and the N-terminal domain (NTD) of the spike trimer (S) constitute the two major neutralizing targets for the antibody system. Neutralizing antibodies targeting the RBD bind to several different sites on this domain. In contrast, most neutralizing antibodies to NTD characterized to date bind to a single supersite, however these antibodies were obtained by methods that were not NTD specific. Here we use NTD specific probes to focus on anti-NTD memory B cells in a cohort of pre-omicron infected individuals some of which were also vaccinated. Of 275 NTD binding antibodies tested 103 neutralized at least one of three tested strains: Wuhan-Hu-1, Gamma, or PMS20, a synthetic variant which is extensively mutated in the NTD supersite. Among the 43 neutralizing antibodies that were further characterized, we found 6 complementation groups based on competition binding experiments. 58% targeted epitopes outside the NTD supersite, and 58% neutralized either Gamma or Omicron, but only 14% were broad neutralizers. Three of the broad neutralizers were characterized structurally. C1520 and C1791 recognize epitopes on opposite faces of the NTD with a distinct binding pose relative to previously described antibodies allowing for greater potency and cross-reactivity with 7 different variants including Beta, Delta, Gamma and Omicron. Antibody C1717 represents a previously uncharacterized class of NTD-directed antibodies that recognizes the viral membrane proximal side of the NTD and SD2 domain, leading to cross-neutralization of Beta, Gamma and Omicron. We conclude SARS-CoV-2 infection and/or Wuhan-Hu-1 mRNA vaccination produces a diverse collection of memory B cells that produce anti-NTD antibodies some of which can neutralize variants of concern. Rapid recruitment of these cells into the antibody secreting plasma cell compartment upon re-infection likely contributes to the relatively benign course of subsequent infections with SARS-CoV-2 variants including omicron.

Flaviviruses pose a constant threat to human health. These RNA viruses are transmitted by the bite of infected mosquitoes and ticks and regularly cause outbreaks. To identify host factors required for flavivirus infection we performed full-genome loss of function CRISPR-Cas9 screens. Based on these results we focused our efforts on characterizing the roles that TMEM41B and VMP1 play in the virus replication cycle. Our mechanistic studies on TMEM41B revealed that all members of the Flaviviridae family that we tested require TMEM41B. We tested 12 additional virus families and found that SARS-CoV-2 of the Coronaviridae also required TMEM41B for infection. Remarkably, single nucleotide polymorphisms (SNPs) present at nearly twenty percent in East Asian populations reduce flavivirus infection. Based on our mechanistic studies we hypothesize that TMEM41B is recruited to flavivirus RNA replication complexes to facilitate membrane curvature, which creates a protected environment for viral genome replication.TMEM41B and VMP1 are required for both autophagy and flavivirus infection, however, autophagy is not required for flavivirus infection.TMEM41B associates with viral proteins and likely facilitates membrane remodeling to establish viral RNA replication complexes.TMEM41B single nucleotide polymorphisms (SNPs) present at nearly twenty percent in East Asian populations reduce flavivirus infection.TMEM41B-deficient cells display an exaggerated innate immune response upon high multiplicity flavivirus infection.

Pathogen encounter results in long-lasting epigenetic imprinting that shapes diseases caused by heterologous pathogens. The breadth of this innate immune memory is of particular interest in the context of respiratory pathogens with increased pandemic potential and wide-ranging impact on global health. Here, we investigated epigenetic imprinting across cell lineages in a disease relevant murine model of SARS-CoV-2 recovery. Past SARS-CoV-2 infection resulted in increased chromatin accessibility of type I interferon (IFN-I) related transcription factors in airway-resident macrophages. Mechanistically, establishment of this innate immune memory required viral pattern recognition and canonical IFN-I signaling and augmented secondary antiviral responses. Past SARS-CoV-2 infection ameliorated disease caused by the heterologous respiratory pathogen influenza A virus. Insights into innate immune memory and how it affects subsequent infections with heterologous pathogens to influence disease pathology could facilitate the development of broadly effective therapeutic strategies.

Abstract Human monoclonal antibodies from convalescent individuals that target the SARS-CoV-2 spike protein have been deployed as therapeutics against SARS-CoV-2. However, nearly all of these antibodies have been rendered obsolete by SARS-CoV-2 variants that evolved to resist similar, naturally occurring antibodies. Here, we describe the development of human monoclonal antibodies that bind the ACE2 receptor rather than the viral spike protein. These antibodies block infection by all ACE2 binding sarbecoviruses, including emergent SARS-CoV-2 variants. Structural and biochemical analyses revealed that the antibodies target an ACE2 epitope that engages SARS-CoV-2 spike. Importantly, the antibodies do not inhibit ACE2 enzymatic activity, nor do they induce ACE depletion from cell surfaces. The antibodies exhibit favorable pharmacology and protect human ACE2 knock-in mice against SARS-CoV-2 infection. Such antibodies should be useful prophylactic and treatment agents against any current and future SARS-CoV-2 variants, as well as ACE2-binding sarbecoviruses that might emerge as future pandemic threats.