Protective neutralizing antibodies Antibodies produced by survivors of coronavirus disease 2019 (COVID-19) may be leveraged to develop therapies. A first step is identifying neutralizing antibodies, which confer strong protection against severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2). Rogers et al. used a high-throughput pipeline to isolate and characterize monoclonal antibodies from convalescent donors. Antibodies were selected for binding to the viral spike protein, which facilitates entry into host cells by binding to the angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) receptor. Most isolated antibodies bound to regions of the spike outside of the receptor binding domain (RBD); however, a larger proportion of the RBD-binding antibodies were neutralizing, with the most potent binding at a site that overlaps the ACE2 binding site. Two of the neutralizing antibodies were tested in Syrian hamsters and provided protection against SARS-CoV-2 infection. Science , this issue p. 956

Abstract Pre-existing immunity to seasonal endemic coronaviruses could have profound consequences for antibody responses to SARS-CoV-2, induced from natural infection or vaccination. A first step to establish whether pre-existing responses can impact SARS-CoV-2 infection is to understand the nature and extent of cross-reactivity in humans to coronaviruses. Here we compare serum antibody and memory B cell responses to coronavirus spike proteins from pre-pandemic and SARS-CoV-2 convalescent donors using binding and functional assays. We show weak evidence of pre-existing SARS-CoV-2 cross-reactive serum antibodies in pre-pandemic donors. However, we find evidence of pre-existing cross-reactive memory B cells that are activated during SARS-CoV-2 infection. Monoclonal antibodies show varying degrees of cross-reactivity with betacoronaviruses, including SARS-CoV-1 and endemic coronaviruses. We identify one cross-reactive neutralizing antibody specific to the S2 subunit of the S protein. Our results suggest that pre-existing immunity to endemic coronaviruses should be considered in evaluating antibody responses to SARS-CoV-2.

ABSTRACT The development of countermeasures to prevent and treat COVID-19 is a global health priority. In under 7 weeks, we enrolled a cohort of SARS-CoV-2-recovered participants, developed neutralization assays to interrogate serum and monoclonal antibody responses, adapted our high throughput antibody isolation, production and characterization pipeline to rapidly screen over 1000 antigen-specific antibodies, and established an animal model to test protection. We report multiple highly potent neutralizing antibodies (nAbs) and show that passive transfer of a nAb provides protection against high-dose SARS-CoV-2 challenge in Syrian hamsters. The study suggests a role for nAbs in prophylaxis, and potentially therapy, of COVID-19. The nAbs define protective epitopes to guide vaccine design.

Understanding the evolution of antibody immunity following heterologous SAR-CoV-2 breakthrough infection will inform the development of next-generation vaccines. Here, we tracked SARS-CoV-2 receptor binding domain (RBD)-specific antibody responses up to six months following Omicron BA.1 breakthrough infection in mRNA-vaccinated individuals. Cross-reactive serum neutralizing antibody and memory B cell (MBC) responses declined by two- to four-fold through the study period. Breakthrough infection elicited minimal de novo Omicron-specific B cell responses but drove affinity maturation of pre-existing cross-reactive MBCs toward BA.1. Public clones dominated the neutralizing antibody response at both early and late time points, and their escape mutation profiles predicted newly emergent Omicron sublineages. The results demonstrate that heterologous SARS-CoV-2 variant exposure drives the evolution of B cell memory and suggest that convergent neutralizing antibody responses continue to shape viral evolution.

ABSTRACT To prepare for future coronavirus (CoV) pandemics, it is desirable to generate vaccines capable of eliciting neutralizing antibody responses against multiple CoVs. Because of the phylogenetic similarity to humans, rhesus macaques are an animal model of choice for many virus-challenge and vaccine-evaluation studies, including SARS-CoV-2. Here, we show that immunization of macaques with SARS-CoV-2 spike (S) protein generates potent receptor binding domain cross- neutralizing antibody (nAb) responses to both SARS-CoV-2 and SARS-CoV-1, in contrast to human infection or vaccination where responses are typically SARS-CoV-2-specific. Furthermore, the macaque nAbs are equally effective against SARS-CoV-2 variants of concern. Structural studies show that different immunodominant sites are targeted by the two primate species. Human antibodies generally target epitopes strongly overlapping the ACE2 receptor binding site (RBS), whereas the macaque antibodies recognize a relatively conserved region proximal to the RBS that represents another potential pan-SARS-related virus site rarely targeted by human antibodies. B cell repertoire differences between the two primates appear to significantly influence the vaccine response and suggest care in the use of rhesus macaques in evaluation of vaccines to SARS-related viruses intended for human use. ONE SENTENCE SUMMARY Broadly neutralizing antibodies to an unappreciated site of conservation in the RBD in SARS- related viruses can be readily induced in rhesus macaques because of distinct properties of the naïve macaque B cell repertoire that suggest prudence in the use of the macaque model in SARS vaccine evaluation and design.

Abstract A central tenet in the design of vaccines is the display of native-like antigens in the elicitation of protective immunity. The abundance of N-linked glycans across the SARS-CoV-2 spike protein is a potential source of heterogeneity between the many different vaccine candidates under investigation. Here, we investigate the glycosylation of recombinant SARS-CoV-2 spike proteins from five different laboratories and compare them against infectious virus S protein. We find patterns which are conserved across all samples and this can be associated with site-specific stalling of glycan maturation which act as a highly sensitive reporter of protein structure. Molecular dynamics (MD) simulations of a fully glycosylated spike support s a model of steric restrictions that shape enzymatic processing of the glycans. These results suggest that recombinant spike-based SARS-CoV-2 immunogen glycosylation reproducibly recapitulates signatures of viral glycosylation.

The emergence of current SARS-CoV-2 variants of concern (VOCs) and potential future spillovers of SARS-like coronaviruses into humans pose a major threat to human health and the global economy 1-7 . Development of broadly effective coronavirus vaccines that can mitigate these threats is needed 8, 9 . Notably, several recent studies have revealed that vaccination of recovered COVID-19 donors results in enhanced nAb responses compared to SARS-CoV-2 infection or vaccination alone 10-13 . Here, we utilized a targeted donor selection strategy to isolate a large panel of broadly neutralizing antibodies (bnAbs) to sarbecoviruses from two such donors. Many of the bnAbs are remarkably effective in neutralization against sarbecoviruses that use ACE2 for viral entry and a substantial fraction also show notable binding to non-ACE2-using sarbecoviruses. The bnAbs are equally effective against most SARS-CoV-2 VOCs and many neutralize the Omicron variant. Neutralization breadth is achieved by bnAb binding to epitopes on a relatively conserved face of the receptor binding domain (RBD) as opposed to strain-specific nAbs to the receptor binding site that are commonly elicited in SARS-CoV-2 infection and vaccination 14-18 . Consistent with targeting of conserved sites, select RBD bnAbs exhibited in vivo protective efficacy against diverse SARS-like coronaviruses in a prophylaxis challenge model. The generation of a large panel of potent bnAbs provides new opportunities and choices for next-generation antibody prophylactic and therapeutic applications and, importantly, provides a molecular basis for effective design of pan-sarbecovirus vaccines.

Designing prefusion-stabilized SARS-CoV-2 spike is critical for the effectiveness of COVID-19 vaccines. All COVID-19 vaccines in the US encode spike with K986P/V987P mutations to stabilize its prefusion conformation. However, contemporary methods on engineering prefusion-stabilized spike immunogens involve tedious experimental work and heavily rely on structural information. Here, we established a systematic and unbiased method of identifying mutations that concomitantly improve expression and stabilize the prefusion conformation of the SARS-CoV-2 spike. Our method integrated a fluorescence-based fusion assay, mammalian cell display technology, and deep mutational scanning. As a proof-of-concept, this method was applied to a region in the S2 domain that includes the first heptad repeat and central helix. Our results revealed that besides K986P and V987P, several mutations simultaneously improved expression and significantly lowered the fusogenicity of the spike. As prefusion stabilization is a common challenge for viral immunogen design, this work will help accelerate vaccine development against different viruses.

ABSTRACT Increasing the expression level of the SARS-CoV-2 spike (S) protein has been critical for COVID-19 vaccine development. While previous efforts largely focused on engineering the receptor-binding domain (RBD) and the S2 subunit, the N-terminal domain (NTD) has been long overlooked due to the limited understanding of its biophysical constraints. In this study, the effects of thousands of NTD single mutations on S protein expression were quantified by deep mutational scanning. Our results revealed that in terms of S protein expression, the mutational tolerability of NTD residues was inversely correlated with their proximity to the RBD and S2. We also identified NTD mutations at the interdomain interface that increased S protein expression without altering its antigenicity. Overall, this study not only advances the understanding of the biophysical constraints of the NTD, but also provides invaluable insights into S-based immunogen design.

Abstract Rationally designed protein subunit vaccines are being developed for a variety of viruses including influenza, RSV, SARS-CoV-2 and HIV. These vaccines are based on stabilized versions of the primary targets of neutralizing antibodies on the viral surface, namely viral fusion glycoproteins. While these immunogens display the epitopes of potent neutralizing antibodies, they also present epitopes recognized by non or weakly neutralizing (“off-target”) antibodies. Using our recently developed electron microscopy epitope mapping approach, we have uncovered a phenomenon wherein off-target antibodies elicited by HIV trimer subunit vaccines cause the otherwise highly stabilized trimeric proteins to degrade into cognate protomers. Further, we show that these protomers expose an expanded suite of off-target epitopes, normally occluded inside the prefusion conformation of trimer, that subsequently elicit further off-target antibody responses. Our study provides critical insights for further improvement of HIV subunit trimer vaccines for future rounds of the iterative vaccine design process.