The recently emerged SARS-CoV-2 Omicron variant encodes 37 amino acid substitutions in the spike protein, 15 of which are in the receptor-binding domain (RBD), thereby raising concerns about the effectiveness of available vaccines and antibody-based therapeutics. Here we show that the Omicron RBD binds to human ACE2 with enhanced affinity, relative to the Wuhan-Hu-1 RBD, and binds to mouse ACE2. Marked reductions in neutralizing activity were observed against Omicron compared to the ancestral pseudovirus in plasma from convalescent individuals and from individuals who had been vaccinated against SARS-CoV-2, but this loss was less pronounced after a third dose of vaccine. Most monoclonal antibodies that are directed against the receptor-binding motif lost in vitro neutralizing activity against Omicron, with only 3 out of 29 monoclonal antibodies retaining unaltered potency, including the ACE2-mimicking S2K146 antibody

Abstract The SARS-CoV-2 Omicron BA.1 variant emerged in 2021 1 and has multiple mutations in its spike protein 2 . Here we show that the spike protein of Omicron has a higher affinity for ACE2 compared with Delta, and a marked change in its antigenicity increases Omicron’s evasion of therapeutic monoclonal and vaccine-elicited polyclonal neutralizing antibodies after two doses. mRNA vaccination as a third vaccine dose rescues and broadens neutralization. Importantly, the antiviral drugs remdesivir and molnupiravir retain efficacy against Omicron BA.1. Replication was similar for Omicron and Delta virus isolates in human nasal epithelial cultures. However, in lung cells and gut cells, Omicron demonstrated lower replication. Omicron spike protein was less efficiently cleaved compared with Delta. The differences in replication were mapped to the entry efficiency of the virus on the basis of spike-pseudotyped virus assays. The defect in entry of Omicron pseudotyped virus to specific cell types effectively correlated with higher cellular RNA expression of TMPRSS2 , and deletion of TMPRSS2 affected Delta entry to a greater extent than Omicron. Furthermore, drug inhibitors targeting specific entry pathways 3 demonstrated that the Omicron spike inefficiently uses the cellular protease TMPRSS2, which promotes cell entry through plasma membrane fusion, with greater dependency on cell entry through the endocytic pathway. Consistent with suboptimal S1/S2 cleavage and inability to use TMPRSS2, syncytium formation by the Omicron spike was substantially impaired compared with the Delta spike. The less efficient spike cleavage of Omicron at S1/S2 is associated with a shift in cellular tropism away from TMPRSS2-expressing cells, with implications for altered pathogenesis.

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.

The severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) Omicron variant of concern evades antibody-mediated immunity that comes from vaccination or infection with earlier variants due to accumulation of numerous spike mutations. To understand the Omicron antigenic shift, we determined cryo–electron microscopy and x-ray crystal structures of the spike protein and the receptor-binding domain bound to the broadly neutralizing sarbecovirus monoclonal antibody (mAb) S309 (the parent mAb of sotrovimab) and to the human ACE2 receptor. We provide a blueprint for understanding the marked reduction of binding of other therapeutic mAbs that leads to dampened neutralizing activity. Remodeling of interactions between the Omicron receptor-binding domain and human ACE2 likely explains the enhanced affinity for the host receptor relative to the ancestral virus.

SARS-CoV-2 entry into host cells is orchestrated by the spike (S) glycoprotein that contains an immunodominant receptor-binding domain (RBD) targeted by the largest fraction of 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 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. SARS-CoV-2 variants, including the 501Y.V2 and B.1.1.7 lineages, harbor frequent mutations localized in the NTD supersite suggesting ongoing selective pressure and the importance of NTD-specific neutralizing mAbs to protective immunity.

SUMMARY The recently emerged SARS-CoV-2 Omicron variant harbors 37 amino acid substitutions in the spike (S) protein, 15 of which are in the receptor-binding domain (RBD), thereby raising concerns about the effectiveness of available vaccines and antibody therapeutics. Here, we show that the Omicron RBD binds to human ACE2 with enhanced affinity relative to the Wuhan-Hu-1 RBD and acquires binding to mouse ACE2. Severe reductions of plasma neutralizing activity were observed against Omicron compared to the ancestral pseudovirus for vaccinated and convalescent individuals. Most (26 out of 29) receptor-binding motif (RBM)-directed monoclonal antibodies (mAbs) lost in vitro neutralizing activity against Omicron, with only three mAbs, including the ACE2-mimicking S2K146 mAb 1 , retaining unaltered potency. Furthermore, a fraction of broadly neutralizing sarbecovirus mAbs recognizing antigenic sites outside the RBM, including sotrovimab 2 , S2X259 3 and S2H97 4 , neutralized Omicron. The magnitude of Omicron-mediated immune evasion and the acquisition of binding to mouse ACE2 mark a major SARS-CoV-2 mutational shift. Broadly neutralizing sarbecovirus mAbs recognizing epitopes conserved among SARS-CoV-2 variants and other sarbecoviruses may prove key to controlling the ongoing pandemic and future zoonotic spillovers.

Abstract The SARS-CoV-2 Omicron BA.1 variant emerged in late 2021 and is characterised by multiple spike mutations across all spike domains. Here we show that Omicron BA.1 has higher affinity for ACE2 compared to Delta, and confers very significant evasion of therapeutic monoclonal and vaccine-elicited polyclonal neutralising antibodies after two doses. mRNA vaccination as a third vaccine dose rescues and broadens neutralisation. Importantly, antiviral drugs remdesevir and molnupiravir retain efficacy against Omicron BA.1. We found that in human nasal epithelial 3D cultures replication was similar for both Omicron and Delta. However, in lower airway organoids, Calu-3 lung cells and gut adenocarcinoma cell lines live Omicron virus demonstrated significantly lower replication in comparison to Delta. We noted that despite presence of mutations predicted to favour spike S1/S2 cleavage, the spike protein is less efficiently cleaved in live Omicron virions compared to Delta virions. We mapped the replication differences between the variants to entry efficiency using spike pseudotyped virus (PV) entry assays. The defect for Omicron PV in specific cell types correlated with higher cellular RNA expression of TMPRSS2, and accordingly knock down of TMPRSS2 impacted Delta entry to a greater extent as compared to Omicron. Furthermore, drug inhibitors targeting specific entry pathways demonstrated that the Omicron spike inefficiently utilises the cellular protease TMPRSS2 that mediates cell entry via plasma membrane fusion. Instead, we demonstrate that Omicron spike has greater dependency on cell entry via the endocytic pathway requiring the activity of endosomal cathepsins to cleave spike. Consistent with suboptimal S1/S2 cleavage and inability to utilise TMPRSS2, syncytium formation by the Omicron spike was dramatically impaired compared to the Delta spike. Overall, Omicron appears to have gained significant evasion from neutralising antibodies whilst maintaining sensitivity to antiviral drugs targeting the polymerase. Omicron has shifted cellular tropism away from TMPRSS2 expressing cells that are enriched in cells found in the lower respiratory and GI tracts, with implications for altered pathogenesis.

The SARS-CoV-2 Omicron variant of concern evades antibody mediated immunity with an unprecedented magnitude due to accumulation of numerous spike mutations. To understand the Omicron antigenic shift, we determined cryo-electron microscopy and X-ray crystal structures of the spike and RBD bound to the broadly neutralizing sarbecovirus monoclonal antibody (mAb) S309 (the parent mAb of sotrovimab) and to the human ACE2 receptor. We provide a structural framework for understanding the marked reduction of binding of all other therapeutic mAbs leading to dampened neutralizing activity. We reveal electrostatic remodeling of the interactions within the spike and those formed between the Omicron RBD and human ACE2, likely explaining enhanced affinity for the host receptor relative to the prototypic virus.

Understanding the ability of SARS-CoV-2 vaccine-elicited antibodies to neutralize and protect against emerging variants of concern and other sarbecoviruses is key for guiding vaccine development decisions and public health policies. We show that a clinical stage multivalent SARS-CoV-2 receptor-binding domain nanoparticle vaccine (SARS-CoV-2 RBD-NP) protects mice from SARS-CoV-2-induced disease after a single shot, indicating that the vaccine could allow dose-sparing. SARS-CoV-2 RBD-NP elicits high antibody titers in two non-human primate (NHP) models against multiple distinct RBD antigenic sites known to be recognized by neutralizing antibodies. We benchmarked NHP serum neutralizing activity elicited by RBD-NP against a lead prefusion-stabilized SARS-CoV-2 spike immunogen using a panel of single-residue spike mutants detected in clinical isolates as well as the B.1.1.7 and B.1.351 variants of concern. Polyclonal antibodies elicited by both vaccines are resilient to most RBD mutations tested, but the E484K substitution has similar negative consequences for neutralization, and exhibit modest but comparable neutralization breadth against distantly related sarbecoviruses. We demonstrate that mosaic and cocktail sarbecovirus RBD-NPs elicit broad sarbecovirus neutralizing activity, including against the SARS-CoV-2 B.1.351 variant, and protect mice against severe SARS-CoV challenge even in the absence of the SARS-CoV RBD in the vaccine. This study provides proof of principle that sarbecovirus RBD-NPs induce heterotypic protection and enables advancement of broadly protective sarbecovirus vaccines to the clinic.