The race to produce vaccines against severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) began when the first sequence was published, and this forms the basis for vaccines currently deployed globally. Independent lineages of SARS-CoV-2 have recently been reported: UK, B.1.1.7; South Africa, B.1.351; and Brazil, P.1. These variants have multiple changes in the immunodominant spike protein that facilitates viral cell entry via the angiotensin-converting enzyme-2 (ACE2) receptor. Mutations in the receptor recognition site on the spike are of great concern for their potential for immune escape. Here, we describe a structure-function analysis of B.1.351 using a large cohort of convalescent and vaccinee serum samples. The receptor-binding domain mutations provide tighter ACE2 binding and widespread escape from monoclonal antibody neutralization largely driven by E484K, although K417N and N501Y act together against some important antibody classes. In a number of cases, it would appear that convalescent and some vaccine serum offers limited protection against this variant.

Summary

 On 24^th November 2021, the sequence of a new SARS-CoV-2 viral isolate Omicron-B.1.1.529 was announced, containing far more mutations in Spike (S) than previously reported variants. Neutralization titers of Omicron by sera from vaccinees and convalescent subjects infected with early pandemic Alpha, Beta, Gamma, or Delta are substantially reduced, or the sera failed to neutralize. Titers against Omicron are boosted by third vaccine doses and are high in both vaccinated individuals and those infected by Delta. Mutations in Omicron knock out or substantially reduce neutralization by most of the large panel of potent monoclonal antibodies and antibodies under commercial development. Omicron S has structural changes from earlier viruses and uses mutations that confer tight binding to ACE2 to unleash evolution driven by immune escape. This leads to a large number of mutations in the ACE2 binding site and rebalances receptor affinity to that of earlier pandemic viruses.

Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) has undergone progressive change, with variants conferring advantage rapidly becoming dominant lineages, e.g., B.1.617. With apparent increased transmissibility, variant B.1.617.2 has contributed to the current wave of infection ravaging the Indian subcontinent and has been designated a variant of concern in the United Kingdom. Here we study the ability of monoclonal antibodies and convalescent and vaccine sera to neutralize B.1.617.1 and B.1.617.2, complement this with structural analyses of Fab/receptor binding domain (RBD) complexes, and map the antigenic space of current variants. Neutralization of both viruses is reduced compared with ancestral Wuhan-related strains, but there is no evidence of widespread antibody escape as seen with B.1.351. However, B.1.351 and P.1 sera showed markedly more reduction in neutralization of B.1.617.2, suggesting that individuals infected previously by these variants may be more susceptible to reinfection by B.1.617.2. This observation provides important new insights for immunization policy with future variant vaccines in non-immune populations.

The Omicron lineage of SARS-CoV-2, which was first described in November 2021, spread rapidly to become globally dominant and has split into a number of sublineages. BA.1 dominated the initial wave but has been replaced by BA.2 in many countries. Recent sequencing from South Africa’s Gauteng region uncovered two new sublineages, BA.4 and BA.5, which are taking over locally, driving a new wave. BA.4 and BA.5 contain identical spike sequences, and although closely related to BA.2, they contain further mutations in the receptor-binding domain of their spikes. Here, we study the neutralization of BA.4/5 using a range of vaccine and naturally immune serum and panels of monoclonal antibodies. BA.4/5 shows reduced neutralization by the serum from individuals vaccinated with triple doses of AstraZeneca or Pfizer vaccine compared with BA.1 and BA.2. Furthermore, using the serum from BA.1 vaccine breakthrough infections, there are, likewise, significant reductions in the neutralization of BA.4/5, raising the possibility of repeat Omicron infections.

Terminating the SARS-CoV-2 pandemic relies upon pan-global vaccination. Current vaccines elicit neutralizing antibody responses to the virus spike derived from early isolates. However, new strains have emerged with multiple mutations, including P.1 from Brazil, B.1.351 from South Africa, and B.1.1.7 from the UK (12, 10, and 9 changes in the spike, respectively). All have mutations in the ACE2 binding site, with P.1 and B.1.351 having a virtually identical triplet (E484K, K417N/T, and N501Y), which we show confer similar increased affinity for ACE2. We show that, surprisingly, P.1 is significantly less resistant to naturally acquired or vaccine-induced antibody responses than B.1.351, suggesting that changes outside the receptor-binding domain (RBD) impact neutralization. Monoclonal antibody (mAb) 222 neutralizes all three variants despite interacting with two of the ACE2-binding site mutations. We explain this through structural analysis and use the 222 light chain to largely restore neutralization potency to a major class of public antibodies.

SARS-CoV-2 has caused over 2 million deaths in little over a year. Vaccines are being deployed at scale, aiming to generate responses against the virus spike. The scale of the pandemic and error-prone virus replication is leading to the appearance of mutant viruses and potentially escape from antibody responses. Variant B.1.1.7, now dominant in the UK, with increased transmission, harbors 9 amino acid changes in the spike, including N501Y in the ACE2 interacting surface. We examine the ability of B.1.1.7 to evade antibody responses elicited by natural SARS-CoV-2 infection or vaccination. We map the impact of N501Y by structure/function analysis of a large panel of well-characterized monoclonal antibodies. B.1.1.7 is harder to neutralize than parental virus, compromising neutralization by some members of a major class of public antibodies through light-chain contacts with residue 501. However, widespread escape from monoclonal antibodies or antibody responses generated by natural infection or vaccination was not observed.

The SARS-CoV-2 virus is more transmissible than previous coronaviruses and causes a more serious illness than influenza. The SARS-CoV-2 receptor binding domain (RBD) of the spike protein binds to the human angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) receptor as a prelude to viral entry into the cell. Using a naive llama single-domain antibody library and PCR-based maturation, we have produced two closely related nanobodies, H11-D4 and H11-H4, that bind RBD (KD of 39 and 12 nM, respectively) and block its interaction with ACE2. Single-particle cryo-EM revealed that both nanobodies bind to all three RBDs in the spike trimer. Crystal structures of each nanobody–RBD complex revealed how both nanobodies recognize the same epitope, which partly overlaps with the ACE2 binding surface, explaining the blocking of the RBD–ACE2 interaction. Nanobody-Fc fusions showed neutralizing activity against SARS-CoV-2 (4–6 nM for H11-H4, 18 nM for H11-D4) and additive neutralization with the SARS-CoV-1/2 antibody CR3022. Two nanobodies that bind SARS-CoV-2 spike RBD are shown to block interaction with receptor ACE2 and thus neutralize the virus, and have an additive effect with antibody CR3022.

Antibodies are crucial to immune protection against SARS-CoV-2, with some in emergency use as therapeutics. Here, we identify 377 human monoclonal antibodies (mAbs) recognizing the virus spike and focus mainly on 80 that bind the receptor binding domain (RBD). We devise a competition data-driven method to map RBD binding sites. We find that although antibody binding sites are widely dispersed, neutralizing antibody binding is focused, with nearly all highly inhibitory mAbs (IC50 < 0.1 μg/mL) blocking receptor interaction, except for one that binds a unique epitope in the N-terminal domain. Many of these neutralizing mAbs use public V-genes and are close to germline. We dissect the structural basis of recognition for this large panel of antibodies through X-ray crystallography and cryoelectron microscopy of 19 Fab-antigen structures. We find novel binding modes for some potently inhibitory antibodies and demonstrate that strongly neutralizing mAbs protect, prophylactically or therapeutically, in animal models.

There are as yet no licensed therapeutics for the COVID-19 pandemic. The causal coronavirus (SARS-CoV-2) binds host cells via a trimeric spike whose receptor binding domain (RBD) recognizes angiotensin-converting enzyme 2, initiating conformational changes that drive membrane fusion. We find that the monoclonal antibody CR3022 binds the RBD tightly, neutralizing SARS-CoV-2, and report the crystal structure at 2.4 Å of the Fab/RBD complex. Some crystals are suitable for screening for entry-blocking inhibitors. The highly conserved, structure-stabilizing CR3022 epitope is inaccessible in the prefusion spike, suggesting that CR3022 binding facilitates conversion to the fusion-incompetent post-fusion state. Cryogenic electron microscopy (cryo-EM) analysis confirms that incubation of spike with CR3022 Fab leads to destruction of the prefusion trimer. Presentation of this cryptic epitope in an RBD-based vaccine might advantageously focus immune responses. Binders at this epitope could be useful therapeutically, possibly in synergy with an antibody that blocks receptor attachment.

The COVID-19 pandemic has had an unprecedented health and economic impact and there are currently no approved therapies. We have isolated an antibody, EY6A, from an individual convalescing from COVID-19 and have shown that it neutralizes SARS-CoV-2 and cross-reacts with SARS-CoV-1. EY6A Fab binds the receptor binding domain (RBD) of the viral spike glycoprotein tightly (KD of 2 nM), and a 2.6-Å-resolution crystal structure of an RBD–EY6A Fab complex identifies the highly conserved epitope, away from the ACE2 receptor binding site. Residues within this footprint are key to stabilizing the pre-fusion spike. Cryo-EM analyses of the pre-fusion spike incubated with EY6A Fab reveal a complex of the intact spike trimer with three Fabs bound and two further multimeric forms comprising the destabilized spike attached to Fab. EY6A binds what is probably a major neutralizing epitope, making it a candidate therapeutic for COVID-19. EY6A, a neutralizing antibody isolated from a patient convalescing from COVID-19, binds the receptor binding domain of the SARS-CoV-2 spike glycoprotein with high affinity, at a location away from the binding site for the ACE2 receptor, similar to the one recognized by CR3022.