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.

Efficient therapeutic options are needed to control the spread of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) that has caused more than 922,000 fatalities as of 13 September 2020. We report the isolation and characterization of two ultrapotent SARS-CoV-2 human neutralizing antibodies (S2E12 and S2M11) that protect hamsters against SARS-CoV-2 challenge. Cryo-electron microscopy structures show that S2E12 and S2M11 competitively block angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) attachment and that S2M11 also locks the spike in a closed conformation by recognition of a quaternary epitope spanning two adjacent receptor-binding domains. Antibody cocktails that include S2M11, S2E12, or the previously identified S309 antibody broadly neutralize a panel of circulating SARS-CoV-2 isolates and activate effector functions. Our results pave the way to implement antibody cocktails for prophylaxis or therapy, circumventing or limiting the emergence of viral escape mutants.

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.

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.

Abstract Currently circulating SARS-CoV-2 variants have acquired convergent mutations at hot spots in the receptor-binding domain 1 (RBD) of the spike protein. The effects of these mutations on viral infection and transmission and the efficacy of vaccines and therapies remains poorly understood. Here we demonstrate that recently emerged BQ.1.1 and XBB.1.5 variants bind host ACE2 with high affinity and promote membrane fusion more efficiently than earlier Omicron variants. Structures of the BQ.1.1, XBB.1 and BN.1 RBDs bound to the fragment antigen-binding region of the S309 antibody (the parent antibody for sotrovimab) and human ACE2 explain the preservation of antibody binding through conformational selection, altered ACE2 recognition and immune evasion. We show that sotrovimab binds avidly to all Omicron variants, promotes Fc-dependent effector functions and protects mice challenged with BQ.1.1 and hamsters challenged with XBB.1.5. Vaccine-elicited human plasma antibodies cross-react with and trigger effector functions against current Omicron variants, despite a reduced neutralizing activity, suggesting a mechanism of protection against disease, exemplified by S309. Cross-reactive RBD-directed human memory B cells remained dominant even after two exposures to Omicron spikes, underscoring the role of persistent immune imprinting.

SARS-CoV-2 Omicron sublineages carry distinct spike mutations and represent an antigenic shift resulting in escape from antibodies induced by previous infection or vaccination. We show that hybrid immunity or vaccine boosters result in potent plasma neutralizing activity against Omicron BA.1 and BA.2 and that breakthrough infections, but not vaccination-only, induce neutralizing activity in the nasal mucosa. Consistent with immunological imprinting, most antibodies derived from memory B cells or plasma cells of Omicron breakthrough cases cross-react with the Wuhan-Hu-1, BA.1 and BA.2 receptor-binding domains whereas Omicron primary infections elicit B cells of narrow specificity. While most clinical antibodies have reduced neutralization of Omicron, we identified an ultrapotent pan-variant antibody, that is unaffected by any Omicron lineage spike mutations and is a strong candidate for clinical development.

Abstract Investigating the mechanisms of SARS-CoV-2 cellular infection is key to better understand COVID-19 immunity and pathogenesis. Infection, which involves both cell attachment and membrane fusion, relies on the ACE2 receptor that is paradoxically found at low levels in the respiratory tract, suggesting that additional mechanisms facilitating infection may exist. Here we show that C-type lectin receptors, DC-SIGN, L-SIGN and the sialic acid-binding Ig-like lectin 1 (SIGLEC1) function as auxiliary receptors by enhancing ACE2-mediated infection and modulating the neutralizing activity of different classes of spike-specific antibodies. Antibodies to the N-terminal domain (NTD) or to the conserved proteoglycan site at the base of the Receptor Binding Domain (RBD), while poorly neutralizing infection of ACE2 over-expressing cells, effectively block lectin-facilitated infection. Conversely, antibodies to the Receptor Binding Motif (RBM), while potently neutralizing infection of ACE2 over-expressing cells, poorly neutralize infection of cells expressing DC-SIGN or L-SIGN and trigger fusogenic rearrangement of the spike promoting cell-to-cell fusion. Collectively, these findings identify a lectin-dependent pathway that enhances ACE2-dependent infection by SARS-CoV-2 and reveal distinct mechanisms of neutralization by different classes of spike-specific antibodies.

The recent emergence of SARS-CoV-2 variants of concern (VOC) and the recurrent spillovers of coronaviruses in 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 (mAb), designated S2×259, recognizing a highly conserved cryptic receptor-binding domain (RBD) epitope and cross-reacting with spikes from all sarbecovirus clades. S2×259 broadly neutralizes spike-mediated entry of SARS-CoV-2 including the B.1.1.7, B.1.351, P.1 and B.1.427/B.1.429 VOC, as well as a wide spectrum of human and zoonotic sarbecoviruses through inhibition of ACE2 binding to the RBD. Furthermore, deep-mutational scanning and in vitro escape selection experiments demonstrate that S2×259 possesses a remarkably high barrier to the emergence of resistance mutants. We show that prophylactic administration of S2×259 protects Syrian hamsters against challenges with the prototypic SARS-CoV-2 and the B.1.351 variant, suggesting this mAb is a promising candidate for the prevention and treatment of emergent VOC and zoonotic infections. Our data unveil a key antigenic site targeted by broadly-neutralizing antibodies and will guide the design of pan-sarbecovirus vaccines.

The repeated spillovers of β-coronaviruses in humans along with the rapid emergence of SARS-CoV-2 escape variants highlight the need to develop broad coronavirus therapeutics and vaccines. Five monoclonal antibodies (mAbs) were isolated from COVID-19 convalescent individuals and found to cross-react with multiple β-coronavirus spike (S) glycoproteins by targeting the stem helix. One of these mAbs, S2P6, cross-reacts with more than twenty human and animal β-coronavirus S glycoproteins and broadly neutralizes SARS-CoV-2 and pseudotyped viruses from the sarbecovirus, merbecovirus and embecovirus subgenera. Structural and functional studies delineate the molecular basis of S2P6 cross-reactivity and broad neutralization and indicate that this mAb blocks viral entry through inhibition of membrane fusion. S2P6 protects hamsters challenged with SARS-CoV-2 (including the B.1.351 variant of concern) through viral neutralization and Fc-mediated effector functions. Serological and B cell repertoire analyses indicate that antibodies targeting the stem helix are found in some convalescent donors and vaccinees but are predominantly of narrow specificity. Germline reversion of the identified cross-reactive mAbs revealed that their unmutated ancestors are specific for the endemic OC43 or HKU1 viruses and acquired enhanced affinity and breadth through somatic mutations. These data demonstrate that conserved epitopes in the coronavirus fusion machinery can be targeted by protective antibodies and provide a framework for structure-guided design of pan-β-coronavirus vaccines eliciting broad protection.

Understanding broadly neutralizing sarbecovirus antibody responses is key to developing countermeasures effective against SARS-CoV-2 variants and future spillovers of other sarbecoviruses. Here we describe the isolation and characterization of a human monoclonal antibody, designated S2K146, broadly neutralizing viruses belonging to all three sarbecovirus clades known to utilize ACE2 as entry receptor and protecting therapeutically against SARS-CoV-2 beta challenge in hamsters. Structural and functional studies show that most of the S2K146 epitope residues are shared with the ACE2 binding site and that the antibody inhibits receptor attachment competitively. Viral passaging experiments underscore an unusually high barrier for emergence of escape mutants making it an ideal candidate for clinical development. These findings unveil a key site of vulnerability for the development of a next generation of vaccines eliciting broad sarbecovirus immunity.