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

Defenses against SARS-CoV-2 variants Our key defense against the COVID-19 pandemic is neutralizing antibodies against the SARS-CoV-2 virus elicited by natural infection or vaccination. Recent emerging viral variants have raised concern because of their potential to escape antibody neutralization. Wang et al . identified four antibodies from early-outbreak convalescent donors that are potent against 23 variants, including variants of concern, and characterized their binding to the spike protein of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2). Yuan et al . examined the impact of emerging mutations in the receptor-binding domain of the spike protein on binding to the host receptor ACE2 and to a range of antibodies. These studies may be helpful for developing more broadly effective vaccines and therapeutic antibodies. —VV

Targeting sarbecoviruses As we continue to battle the COVID-19 pandemic, we must confront the possibility of new pathogenic coronaviruses emerging in humans in the future. With this in mind, Rappazzo et al. isolated antibodies from a survivor of the 2003 severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV), used yeast display libraries to introduce diversity into these antibodies, and then screened for binding to SARS-CoV-2. One of the affinity-matured progeny strongly neutralized SARS-CoV-2, SARS-CoV, and two SARS-related viruses from bats. In addition, this antibody bound to the receptor-binding domains from a panel of sarbecoviruses, suggesting broader activity, and provided protection against SARS-CoV and SARS-CoV-2 in mouse models. Science , this issue p. 823

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.

Abstract The protective efficacy of neutralizing antibodies (nAbs) elicited during natural infection with SARS-CoV-2 and by vaccination based on its spike protein has been compromised with emergence of the recent SARS-CoV-2 variants. Residues E484 and K417 in the receptor-binding site (RBS) are both mutated in lineages first described in South Africa (B.1.351) and Brazil (B.1.1.28.1). The nAbs isolated from SARS-CoV-2 patients are preferentially encoded by certain heavy-chain germline genes and the two most frequently elicited antibody families (IGHV3-53/3-66 and IGHV1-2) can each bind the RBS in two different binding modes. However, their binding and neutralization are abrogated by either the E484K or K417N mutation, whereas nAbs to the cross-reactive CR3022 and S309 sites are largely unaffected. This structural and functional analysis illustrates why mutations at E484 and K417 adversely affect major classes of nAbs to SARS-CoV-2 with consequences for next-generation COVID-19 vaccines.

Pan-betacoronavirus neutralizing antibodies may hold the key to developing broadly protective vaccines against coronaviruses that cause severe disease, for anticipating novel pandemic-causing viruses, and to respond more effectively to SARS-CoV-2 variants. The emergence of the Omicron variant of SARS-CoV-2 has illustrated the limitations of solely targeting the receptor binding domain (RBD) of the envelope Spike (S)-protein. Here, we isolated a large panel of broadly neutralizing antibodies (bnAbs) from SARS-CoV-2 recovered-vaccinated donors that target a conserved S2 region in the fusion machinery on betacoronavirus spikes. Select bnAbs show broad

The recurrent zoonotic spillover of coronaviruses (CoVs) into the human population underscores the need for broadly active countermeasures. Here, we employed a directed evolution approach to engineer three SARS-CoV-2 antibodies for enhanced neutralization breadth and potency. One of the affinity-matured variants, ADG-2, displays strong binding activity to a large panel of sarbecovirus receptor binding domains (RBDs) and neutralizes representative epidemic sarbecoviruses with remarkable potency. Structural and biochemical studies demonstrate that ADG-2 employs a unique angle of approach to recognize a highly conserved epitope overlapping the receptor binding site. In murine models of SARS-CoV and SARS-CoV-2 infection, passive transfer of ADG-2 provided complete protection against respiratory burden, viral replication in the lungs, and lung pathology. Altogether, ADG-2 represents a promising broad-spectrum therapeutic candidate for the treatment and prevention of SARS-CoV-2 and future emerging SARS-like CoVs.

Epitopes that are conserved among SARS-like coronaviruses are attractive targets for design of cross-reactive vaccines and therapeutics. CR3022 is a SARS-CoV neutralizing antibody to a highly conserved epitope on the receptor binding domain (RBD) on the spike protein that can cross-react with SARS-CoV-2, but with lower affinity. Using x-ray crystallography, mutagenesis, and binding experiments, we illustrate that of four amino acid differences in the CR3022 epitope between SARS-CoV-2 and SARS-CoV, a single mutation P384A fully determines the affinity difference. CR3022 does not neutralize SARS-CoV-2, but the increased affinity to SARS-CoV-2 P384A mutant now enables neutralization with a similar potency to SARS-CoV. We further investigated CR3022 interaction with the SARS-CoV spike protein by negative-stain EM and cryo-EM. Three CR3022 Fabs bind per trimer with the RBD observed in different up-conformations due to considerable flexibility of the RBD. In one of these conformations, quaternary interactions are made by CR3022 to the N-terminal domain (NTD) of an adjacent subunit. Overall, this study provides insights into antigenic variation and potential for cross-neutralizing epitopes on SARS-like viruses.

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.