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.

ABSTRACT IGHV3-53-encoded neutralizing antibodies are commonly elicited during SARS-CoV-2 infection and target the receptor-binding domain (RBD) of the spike (S) protein. Such IGHV3-53 antibodies generally have a short CDR H3 due to structural constraints in binding the RBD (mode A). However, a small subset of IGHV3-53 antibodies to the RBD contain a longer CDR H3. Crystal structures of two IGHV3-53 neutralizing antibodies here demonstrate that a longer CDR H3 can be accommodated in a different binding mode (mode B). These two classes of IGHV3-53 antibodies both target the ACE2 receptor binding site, but with very different angles of approach and molecular interactions. Overall, these findings emphasize the versatility of IGHV3-53 in this common antibody response to SARS-CoV-2, where conserved IGHV3-53 germline-encoded features can be combined with very different CDR H3 lengths and light chains for SARS-CoV-2 RBD recognition and virus neutralization.

Most antibodies isolated from COVID-19 patients are specific to SARS-CoV-2. COVA1-16 is a relatively rare antibody that also cross-neutralizes SARS-CoV. Here we determined a crystal structure of COVA1-16 Fab with the SARS-CoV-2 RBD, and a negative-stain EM reconstruction with the spike glycoprotein trimer, to elucidate the structural basis of its cross-reactivity. COVA1-16 binds a highly conserved epitope on the SARS-CoV-2 RBD, mainly through a long CDR H3, and competes with ACE2 binding due to steric hindrance rather than epitope overlap. COVA1-16 binds to a flexible up conformation of the RBD on the spike and relies on antibody avidity for neutralization. These findings, along with structural and functional rationale for the epitope conservation, provide a blueprint for development of more universal SARS-like coronavirus vaccines and therapies.

The emergence of SARS-CoV-2 variants that threaten the efficacy of existing vaccines and therapeutic antibodies underscores the urgent need for new antibody-based tools that potently neutralize variants by targeting multiple sites of the spike protein. We isolated 216 monoclonal antibodies targeting SARS-CoV-2 from plasmablasts and memory B cells of COVID-19 patients. The three most potent antibodies targeted distinct regions of the RBD, and all three neutralized the SARS-CoV-2 variants B.1.1.7 and B.1.351. The crystal structure of the most potent antibody, CV503, revealed that it binds to the ridge region of SARS-CoV-2 RBD, competes with the ACE2 receptor, and has limited contact with key variant residues K417, E484 and N501. We designed bispecific antibodies by combining non-overlapping specificities and identified five ultrapotent bispecific antibodies that inhibit authentic SARS-CoV-2 infection at concentrations of <1 ng/mL. Through a novel mode of action three bispecific antibodies cross-linked adjacent spike proteins using dual NTD/RBD specificities. One bispecific antibody was >100-fold more potent than a cocktail of its parent monoclonals in vitro and prevented clinical disease in a hamster model at a 2.5 mg/kg dose. Notably, six of nine bispecific antibodies neutralized B.1.1.7, B.1.351 and the wild-type virus with comparable potency, despite partial or complete loss of activity of at least one parent monoclonal antibody against B.1.351. Furthermore, a bispecific antibody that neutralized B.1.351 protected against SARS-CoV-2 expressing the crucial E484K mutation in the hamster model. Thus, bispecific antibodies represent a promising next-generation countermeasure against SARS-CoV-2 variants of concern.

In the past two years, the global research in combating COVID-19 pandemic has led to isolation and characterization of numerous human antibodies to the SARS-CoV-2 spike. This enormous collection of antibodies provides an unprecedented opportunity to study the antibody response to a single antigen. From mining information derived from 88 research publications and 13 patents, we have assembled a dataset of âˆ¼8,000 human antibodies to the SARS-CoV-2 spike from >200 donors. Analysis of antibody targeting of different domains of the spike protein reveals a number of common (public) responses to SARS-CoV-2, exemplified via recurring IGHV/IGK(L)V pairs, CDR H3 sequences, IGHD usage, and somatic hypermutation. We further present a proof-of-concept for prediction of antigen specificity using deep learning to differentiate sequences of antibodies to SARS-CoV-2 spike and to influenza hemagglutinin. Overall, this study not only provides an informative resource for antibody and vaccine research, but fundamentally advances our molecular understanding of public antibody responses to a viral pathogen.

Abstract Virus propagation methods generally use transformed cell lines to grow viruses from clinical specimens, which may force viruses to rapidly adapt to cell culture conditions, a process facilitated by high viral mutation rates. Upon propagation in VeroE6 cells, SARS-CoV-2 may mutate or delete the multibasic cleavage site (MBCS) in the spike protein that facilitates serine protease-mediated entry into human airway cells. We report that propagating SARS-CoV-2 on the human airway cell line Calu-3 - that expresses serine proteases - prevents MBCS mutations. Similar results were obtained using a human airway organoid-based culture system for SARS-CoV-2 propagation. Thus, in-depth knowledge on the biology of a virus can be used to establish methods to prevent cell culture adaptation.

ABSTRACT Combinatorial antibody libraries not only effectively reduce antibody discovery to a numbers game, but enable documentation of the history of antibody responses in an individual. The SARS-CoV-2 pandemic has prompted a wider application of this technology to meet the public health challenge of pandemic threats in the modern era. Herein, we used a combinatorial human antibody library constructed 20 years before the COVID-19 pandemic to discover three highly potent antibodies that selectively bind SARS-CoV-2 spike protein and neutralize authentic SARS-CoV-2 virus. Compared to neutralizing antibodies from COVID-19 patients with generally low somatic hypermutation (SHM), these antibodies contain over 13-22 SHMs, many of which are involved in specific interactions in crystal structures with SARS-CoV-2 spike RBD. The identification of these somatically mutated antibodies in a pre-pandemic library raises intriguing questions about the origin and evolution of human immune responses to SARS-CoV-2.

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 Coronaviruses have caused several epidemics and pandemics including the ongoing coronavirus disease 2019 (COVID-19). Some prophylactic vaccines and therapeutic antibodies have already showed striking effectiveness against COVID-19. Nevertheless, concerns remain about antigenic drift in SARS-CoV-2 as well as threats from other sarbecoviruses. Cross-neutralizing antibodies to SARS-related viruses provide opportunities to address such concerns. Here, we report on crystal structures of a cross-neutralizing antibody CV38-142 in complex with the receptor binding domains from SARS-CoV-2 and SARS-CoV. Our structural findings provide mechanistic insights into how this antibody can accommodate antigenic variation in these viruses. CV38-142 synergizes with other cross-neutralizing antibodies, in particular COVA1-16, to enhance neutralization of SARS-CoV-2 and SARS-CoV. Overall, this study provides valuable information for vaccine and therapeutic design to address current and future antigenic drift in SARS-CoV-2 and to protect against zoonotic coronaviruses.

Abstract The ongoing antigenic evolution of the influenza A virus (IAV) hemagglutinin (HA) gene limits efforts to effectively control the spread of the virus in the human population through vaccination. The factors that influence and constrain the evolutionary potential of the HA gene remain poorly understood. Efforts to understand the mechanisms that govern HA antigenic evolution typically examine the HA gene in isolation and ignore the importance of balancing HA receptor-binding activities with the receptor-destroying activities of the viral neuraminidase (NA) for maintaining viral fitness. We hypothesized that the need to maintain functional balance with NA significantly constrains the evolutionary potential of the HA gene. We used deep mutational scanning to show that variation in NA activity significantly reshapes the HA fitness landscape by modulating the overall mutational robustness of the HA protein. Consistent with this, we observe that different NA backgrounds support the emergence of distinct repertoires of HA escape variants under neutralizing antibody pressure. Our results reveal a critical role for intersegment epistatic interactions in shaping the evolutionary potential of the HA gene.