Antibodies targeting the SARS-CoV-2 spike receptor-binding domain (RBD) are being developed as therapeutics and are a major contributor to neutralizing antibody responses elicited by infection. Here, we describe a deep mutational scanning method to map how all amino-acid mutations in the RBD affect antibody binding and apply this method to 10 human monoclonal antibodies. The escape mutations cluster on several surfaces of the RBD that broadly correspond to structurally defined antibody epitopes. However, even antibodies targeting the same surface often have distinct escape mutations. The complete escape maps predict which mutations are selected during viral growth in the presence of single antibodies. They further enable the design of escape-resistant antibody cocktails—including cocktails of antibodies that compete for binding to the same RBD surface but have different escape mutations. Therefore, complete escape-mutation maps enable rational design of antibody therapeutics and assessment of the antigenic consequences of viral evolution.

The SARS-CoV-2 virus infects cultured ACE2-expressing human enterocytes aided by the TMPRSS2 and TMPRSS4 serine proteases.

The SARS-CoV-2 spike (S) glycoprotein contains an immunodominant receptor-binding domain (RBD) targeted by most neutralizing antibodies (Abs) in COVID-19 patient plasma. Little is known about neutralizing Abs binding to epitopes outside the RBD and their contribution to protection. Here, we describe 41 human monoclonal Abs (mAbs) derived from memory B cells, which recognize the SARS-CoV-2 S N-terminal domain (NTD) and show that a subset of them neutralize SARS-CoV-2 ultrapotently. We define an antigenic map of the SARS-CoV-2 NTD and identify a supersite (designated site i) recognized by all known NTD-specific neutralizing mAbs. These mAbs inhibit cell-to-cell fusion, activate effector functions, and protect Syrian hamsters from SARS-CoV-2 challenge, albeit selecting escape mutants in some animals. Indeed, several SARS-CoV-2 variants, including the B.1.1.7, B.1.351, and P.1 lineages, harbor frequent mutations within the NTD supersite, suggesting ongoing selective pressure and the importance of NTD-specific neutralizing mAbs for protective immunity and vaccine design.

Neutralizing antibodies against the SARS-CoV-2 spike (S) protein are a goal of COVID-19 vaccines and have received emergency use authorization as therapeutics. However, viral escape mutants could compromise efficacy. To define immune-selected mutations in the S protein, we exposed a VSV-eGFP-SARS-CoV-2-S chimeric virus, in which the VSV glycoprotein is replaced with the S protein, to 19 neutralizing monoclonal antibodies (mAbs) against the receptor-binding domain (RBD) and generated 50 different escape mutants. Each mAb had a unique resistance profile, although many shared residues within an epitope of the RBD. Some variants (e.g., S477N) were resistant to neutralization by multiple mAbs, whereas others (e.g., E484K) escaped neutralization by convalescent sera. Additionally, sequential selection identified mutants that escape neutralization by antibody cocktails. Comparing these antibody-mediated mutations with sequence variation in circulating SARS-CoV-2 revealed substitutions that may attenuate neutralizing immune responses in some humans and thus warrant further investigation.

An ideal therapeutic anti-SARS-CoV-2 antibody would resist viral escape1–3, have activity against diverse sarbecoviruses4–7, and be highly protective through viral neutralization8–11 and effector functions12,13. Understanding how these properties relate to each other and vary across epitopes would aid the development of therapeutic antibodies and guide vaccine design. Here we comprehensively characterize escape, breadth and potency across a panel of SARS-CoV-2 antibodies targeting the receptor-binding domain (RBD). Despite a trade-off between in vitro neutralization potency and breadth of sarbecovirus binding, we identify neutralizing antibodies with exceptional sarbecovirus breadth and a corresponding resistance to SARS-CoV-2 escape. One of these antibodies, S2H97, binds with high affinity across all sarbecovirus clades to a cryptic epitope and prophylactically protects hamsters from viral challenge. Antibodies that target the angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) receptor-binding motif (RBM) typically have poor breadth and are readily escaped by mutations despite high neutralization potency. Nevertheless, we also characterize a potent RBM antibody (S2E128) with breadth across sarbecoviruses related to SARS-CoV-2 and a high barrier to viral escape. These data highlight principles underlying variation in escape, breadth and potency among antibodies that target the RBD, and identify epitopes and features to prioritize for therapeutic development against the current and potential future pandemics. A survey of SARS-CoV-2 RBD antibodies identifies those with activity against diverse SARS-CoV-2 variants and SARS-related coronaviruses, highlighting epitopes and features to prioritize in antibody and vaccine development.

Antibody-based interventions against SARS-CoV-2 could limit morbidity, mortality, and possibly transmission. An anticipated correlate of such countermeasures is the level of neutralizing antibodies against the SARS-CoV-2 spike protein, which engages with host ACE2 receptor for entry. Using an infectious molecular clone of vesicular stomatitis virus (VSV) expressing eGFP as a marker of infection, we replaced the glycoprotein gene (G) with the spike protein of SARS-CoV-2 (VSV-eGFP-SARS-CoV-2) and developed a high-throughput-imaging-based neutralization assay at biosafety level 2. We also developed a focus-reduction neutralization test with a clinical isolate of SARS-CoV-2 at biosafety level 3. Comparing the neutralizing activities of various antibodies and ACE2-Fc soluble decoy protein in both assays revealed a high degree of concordance. These assays will help define correlates of protection for antibody-based countermeasures and vaccines against SARS-CoV-2. Additionally, replication-competent VSV-eGFP-SARS-CoV-2 provides a tool for testing inhibitors of SARS-CoV-2 mediated entry under reduced biosafety containment.

Patients with chronic inflammatory disease (CID) treated with immunosuppressive medications have increased risk for severe COVID-19. Although mRNA-based SARS-CoV-2 vaccination provides protection in immunocompetent persons, immunogenicity in immunosuppressed patients with CID is unclear.To determine the immunogenicity of mRNA-based SARS-CoV-2 vaccines in patients with CID.Prospective observational cohort study.Two U.S. CID referral centers.Volunteer sample of adults with confirmed CID eligible for early COVID-19 vaccination, including hospital employees of any age and patients older than 65 years. Immunocompetent participants were recruited separately from hospital employees. All participants received 2 doses of mRNA vaccine against SARS-CoV-2 between 10 December 2020 and 20 March 2021. Participants were assessed within 2 weeks before vaccination and 20 days after final vaccination.Anti-SARS-CoV-2 spike (S) IgG+ binding in all participants, and neutralizing antibody titers and circulating S-specific plasmablasts in a subset to assess humoral response after vaccination.Most of the 133 participants with CID (88.7%) and all 53 immunocompetent participants developed antibodies in response to mRNA-based SARS-CoV-2 vaccination, although some with CID developed numerically lower titers of anti-S IgG. Anti-S IgG antibody titers after vaccination were lower in participants with CID receiving glucocorticoids (n = 17) than in those not receiving them; the geometric mean of anti-S IgG antibodies was 357 (95% CI, 96 to 1324) for participants receiving prednisone versus 2190 (CI, 1598 to 3002) for those not receiving it. Anti-S IgG antibody titers were also lower in those receiving B-cell depletion therapy (BCDT) (n = 10). Measures of immunogenicity differed numerically between those who were and those who were not receiving antimetabolites (n = 48), tumor necrosis factor inhibitors (n = 39), and Janus kinase inhibitors (n = 11); however, 95% CIs were wide and overlapped. Neutralization titers seemed generally consistent with anti-S IgG results. Results were not adjusted for differences in baseline clinical factors, including other immunosuppressant therapies.Small sample that lacked demographic diversity, and residual confounding.Compared with nonusers, patients with CID treated with glucocorticoids and BCDT seem to have lower SARS-CoV-2 vaccine-induced antibody responses. These preliminary findings require confirmation in a larger study.The Leona M. and Harry B. Helmsley Charitable Trust, Marcus Program in Precision Medicine Innovation, National Center for Advancing Translational Sciences, and National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases.

The recent emergence of SARS-CoV-2 variants of concern1-10 and the recurrent spillovers of coronaviruses11,12 into the human population highlight the need for broadly neutralizing antibodies that are not affected by the ongoing antigenic drift and that can prevent or treat future zoonotic infections. Here we describe a human monoclonal antibody designated S2X259, which recognizes a highly conserved cryptic epitope of the receptor-binding domain and cross-reacts with spikes from all clades of sarbecovirus. S2X259 broadly neutralizes spike-mediated cell entry of SARS-CoV-2, including variants of concern (B.1.1.7, B.1.351, P.1, and B.1.427/B.1.429), as well as a wide spectrum of human and potentially zoonotic sarbecoviruses through inhibition of angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) binding to the receptor-binding domain. Furthermore, deep-mutational scanning and in vitro escape selection experiments demonstrate that S2X259 possesses an escape profile that is limited to a single substitution, G504D. We show that prophylactic and therapeutic administration of S2X259 protects Syrian hamsters (Mesocricetus auratus) against challenge with the prototypic SARS-CoV-2 and the B.1.351 variant of concern, which suggests that this monoclonal antibody is a promising candidate for the prevention and treatment of emergent variants and zoonotic infections. Our data reveal a key antigenic site that is targeted by broadly neutralizing antibodies and will guide the design of vaccines that are effective against all sarbecoviruses.

Germinal centres (GC) are lymphoid structures in which B cells acquire affinity-enhancing somatic hypermutations (SHM), with surviving clones differentiating into memory B cells (MBCs) and long-lived bone marrow plasma cells1–5 (BMPCs). SARS-CoV-2 mRNA vaccination induces a persistent GC response that lasts for at least six months in humans6–8. The fate of responding GC B cells as well as the functional consequences of such persistence remain unknown. Here, we detected SARS-CoV-2 spike protein-specific MBCs in 42 individuals who had received two doses of the SARS-CoV-2 mRNA vaccine BNT162b2 six month earlier. Spike-specific IgG-secreting BMPCs were detected in 9 out of 11 participants. Using a combined approach of sequencing the B cell receptors of responding blood plasmablasts and MBCs, lymph node GC B cells and plasma cells and BMPCs from eight individuals and expression of the corresponding monoclonal antibodies, we tracked the evolution of 1,540 spike-specific B cell clones. On average, early blood spike-specific plasmablasts exhibited the lowest SHM frequencies. By contrast, SHM frequencies of spike-specific GC B cells increased by 3.5-fold within six months after vaccination. Spike-specific MBCs and BMPCs accumulated high levels of SHM, which corresponded with enhanced anti-spike antibody avidity in blood and enhanced affinity as well as neutralization capacity of BMPC-derived monoclonal antibodies. We report how the notable persistence of the GC reaction induced by SARS-CoV-2 mRNA vaccination in humans culminates in affinity-matured long-term antibody responses that potently neutralize the virus. Sequencing of B cell receptors and expression of the corresponding monoclonal antibodies is used to characterize the evolution of the long-term B cell response to SARS-CoV-2 mRNA vaccination.

Rapidly emerging SARS-CoV-2 variants jeopardize antibody-based countermeasures. Although cell culture experiments have demonstrated a loss of potency of several anti-spike neutralizing antibodies against variant strains of SARS-CoV-21-3, the in vivo importance of these results remains uncertain. Here we report the in vitro and in vivo activity of a panel of monoclonal antibodies (mAbs), which correspond to many in advanced clinical development by Vir Biotechnology, AbbVie, AstraZeneca, Regeneron and Lilly, against SARS-CoV-2 variant viruses. Although some individual mAbs showed reduced or abrogated neutralizing activity in cell culture against B.1.351, B.1.1.28, B.1.617.1 and B.1.526 viruses with mutations at residue E484 of the spike protein, low prophylactic doses of mAb combinations protected against infection by many variants in K18-hACE2 transgenic mice, 129S2 immunocompetent mice and hamsters, without the emergence of resistance. Exceptions were LY-CoV555 monotherapy and LY-CoV555 and LY-CoV016 combination therapy, both of which lost all protective activity, and the combination of AbbVie 2B04 and 47D11, which showed a partial loss of activity. When administered after infection, higher doses of several mAb cocktails protected in vivo against viruses with a B.1.351 spike gene. Therefore, many-but not all-of the antibody products with Emergency Use Authorization should retain substantial efficacy against the prevailing variant strains of SARS-CoV-2.