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.

Summary 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: 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 RBD impact neutralisation. Monoclonal antibody 222 neutralises 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.

Summary Some COVID-19 patients are unable to clear their infection or are at risk of severe disease, requiring treatment with neutralising monoclonal antibodies (nmAb) and/or antivirals. The rapid roll-out of novel therapeutics means there is limited understanding of the likely genetic barrier to drug resistance. Unprecedented genomic surveillance of SARS-CoV-2 in the UK has enabled a genome-first approach to the detection of emerging drug resistance. Here we report the accrual of mutations in Delta and Omicron cases treated with casirivimab+imdevimab and sotrovimab respectively. Mutations occur within the epitopes of the respective nmAbs. For casirivimab+imdevimab these are present on contiguous raw reads, simultaneously affecting both components. Using surface plasmon resonance and pseudoviral neutralisation assays we demonstrate these mutations reduce or completely abrogate antibody affinity and neutralising activity, suggesting they are driven by immune evasion. In addition, we show that some mutations also reduce the neutralising activity of vaccine-induced serum.

Summary On the 24 th November 2021 the sequence of a new SARS CoV-2 viral isolate spreading rapidly in Southern Africa was announced, containing far more mutations in Spike (S) than previously reported variants. Neutralization titres of Omicron by sera from vaccinees and convalescent subjects infected with early pandemic as well as Alpha, Beta, Gamma, Delta are substantially reduced or fail to neutralize. Titres against Omicron are boosted by third vaccine doses and are high in cases both vaccinated and infected by Delta. Mutations in Omicron knock out or substantially reduce neutralization by most of a large panel of potent monoclonal antibodies and antibodies under commercial development. Omicron S has structural changes from earlier viruses, combining mutations conferring tight binding to ACE2 to unleash evolution driven by immune escape, leading to a large number of mutations in the ACE2 binding site which rebalance receptor affinity to that of early pandemic viruses.