ABSTRACT The SARS-CoV-2 Spike glycoprotein mediates virus entry and is a major target for neutralizing antibodies. All current vaccines are based on the ancestral Spike with the goal of generating a protective neutralizing antibody response. Several novel SARS-CoV-2 variants with multiple Spike mutations have emerged, and their rapid spread and potential for immune escape have raised concerns. One of these variants, first identified in the United Kingdom, B.1.1.7 (also called VUI202012/01), contains eight Spike mutations with potential to impact antibody therapy, vaccine efficacy and risk of reinfection. Here we employed a lentivirus-based pseudovirus assay to show that variant B.1.1.7 remains sensitive to neutralization, albeit at moderately reduced levels (~2-fold), by serum samples from convalescent individuals and recipients of two different vaccines based on ancestral Spike: mRNA-1273 (Moderna), and protein nanoparticle NVX-CoV2373 (Novavax). Some monoclonal antibodies to the receptor binding domain (RBD) of Spike were less effective against the variant while others were largely unaffected. These findings indicate that B.1.1.7 is not a neutralization escape variant that would be a major concern for current vaccines, or for an increased risk of reinfection.

Adjuvanted soluble protein vaccines have been used extensively in humans for protection against various viral infections based on their robust induction of antibody responses. Here, soluble prefusion-stabilized spike trimers (preS dTM) from the severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV-2) were formulated with the adjuvant AS03 and administered twice to nonhuman primates (NHP). Binding and functional neutralization assays and systems serology revealed that NHP developed AS03-dependent multi-functional humoral responses that targeted multiple spike domains and bound to a variety of antibody FC receptors mediating effector functions in vitro. Pseudovirus and live virus neutralizing IC50 titers were on average greater than 1000 and significantly higher than a panel of human convalescent sera. NHP were challenged intranasally and intratracheally with a high dose (3×106 PFU) of SARS-CoV-2 (USA-WA1/2020 isolate). Two days post-challenge, vaccinated NHP showed rapid control of viral replication in both the upper and lower airways. Notably, vaccinated NHP also had increased spike-specific IgG antibody responses in the lung as early as 2 days post challenge. Moreover, vaccine-induced IgG mediated protection from SARS-CoV-2 challenge following passive transfer to hamsters. These data show that antibodies induced by the AS03-adjuvanted preS dTM vaccine are sufficient to mediate protection against SARS-CoV-2 and support the evaluation of this vaccine in human clinical trials.

Aided by extensive spike protein mutation, the SARS-CoV-2 Omicron variant overtook the previously dominant Delta variant. Spike conformation plays an essential role in SARS-CoV-2 evolution via changes in receptor binding domain (RBD) and neutralizing antibody epitope presentation affecting virus transmissibility and immune evasion. Here, we determine cryo-EM structures of the Omicron and Delta spikes to understand the conformational impacts of mutations in each. The Omicron spike structure revealed an unusually tightly packed RBD organization with long range impacts that were not observed in the Delta spike. Binding and crystallography revealed increased flexibility at the functionally critical fusion peptide site in the Omicron spike. These results reveal a highly evolved Omicron spike architecture with possible impacts on its high levels of immune evasion and transmissibility.

Abstract The emergence of SARS-CoV in 2003 and SARS-CoV-2 in 2019 highlights the need to develop universal vaccination strategies against the broader Sarbecovirus subgenus. Using chimeric spike designs, we demonstrate protection against challenge from SARS-CoV, SARS-CoV-2, SARS-CoV-2 B.1.351, bat CoV (Bt-CoV) RsSHC014, and a heterologous Bt-CoV WIV-1 in vulnerable aged mice. Chimeric spike mRNAs induced high levels of broadly protective neutralizing antibodies against high-risk Sarbecoviruses. In contrast, SARS-CoV-2 mRNA vaccination not only showed a marked reduction in neutralizing titers against heterologous Sarbecoviruses, but SARS-CoV and WIV-1 challenge in mice resulted in breakthrough infection. Chimeric spike mRNA vaccines efficiently neutralized D614G, UK B.1.1.7., mink cluster five, and the South African B.1.351 variant of concern. Thus, multiplexed-chimeric spikes can prevent SARS-like zoonotic coronavirus infections with pandemic potential. Sentence Chimerized RBD, NTD, and S2 spike mRNA-LNPs protect mice against epidemic, zoonotic, and pandemic SARS-like viruses

Abstract The SARS-CoV-2 spike (S) protein, a primary target for COVID-19 vaccine development, presents its Receptor Binding Domain in two conformations: receptor-accessible “up” or receptor-inaccessible “down” conformations. Here, we report that the commonly used stabilized S ectodomain construct “2P” is sensitive to cold temperature, and that this cold sensitivity is resolved in a “down” state stabilized spike. Our results will impact structural, functional and vaccine studies that use the SARS-CoV-2 S ectodomain.

SUMMARY Improving the standard of clinical care for individuals infected with SARS-CoV-2 variants is a global health priority. Small molecule antivirals like remdesivir (RDV) and biologics such as human monoclonal antibodies (mAb) have demonstrated therapeutic efficacy against SARS-CoV-2, the causative agent of COVID-19. However, it is not known if combination RDV/mAb will improve outcomes over single agent therapies or whether antibody therapies will remain efficacious against variants. In kinetic studies in a mouse-adapted model of ancestral SARS-CoV-2 pathogenesis, we show that a combination of two mAbs in clinical trials, C144 and C135, have potent antiviral effects against even when initiated 48 hours after infection. The same antibody combination was also effective in prevention and therapy against the B.1.351 variant of concern (VOC). Combining RDV and antibodies provided a modest improvement in outcomes compared to single agents. These data support the continued use of RDV to treat SARS-CoV-2 infections and support the continued clinical development of the C144 and C135 antibody combination to treat patients infected with SARS-CoV-2 variants.

ABSTRACT Coronavirus vaccines that are highly effective against SARS-CoV-2 variants are needed to control the current pandemic. We previously reported a receptor-binding domain (RBD) sortase A-conjugated ferritin nanoparticle (RBD-scNP) vaccine that induced neutralizing antibodies against SARS-CoV-2 and pre-emergent sarbecoviruses and protected monkeys from SARS-CoV-2 WA-1 infection. Here, we demonstrate SARS-CoV-2 RBD-scNP immunization induces potent neutralizing antibodies in non-human primates (NHPs) against all eight SARS-CoV-2 variants tested including the Beta, Delta, and Omicron variants. The Omicron variant was neutralized by RBD-scNP-induced serum antibodies with a mean of 10.6-fold reduction of ID50 titers compared to SARS-CoV-2 D614G. Immunization with RBD-scNPs protected NHPs from SARS-CoV-2 WA-1, Beta, and Delta variant challenge, and protected mice from challenges of SARS-CoV-2 Beta variant and two other heterologous sarbecoviruses. These results demonstrate the ability of RBD-scNPs to induce broad neutralization of SARS-CoV-2 variants and to protect NHPs and mice from multiple different SARS-related viruses. Such a vaccine could provide the needed immunity to slow the spread of and reduce disease caused by SARS-CoV-2 variants such as Delta and Omicron.

ABSTRACT Immunization with mRNA or viral vectors encoding spike with diproline substitutions (S-2P) has provided protective immunity against severe COVID-19 disease. How immunization with Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) spike elicits neutralizing antibodies (nAbs) against difficult-to-neutralize variants of concern (VOCs) remains an area of great interest. Here, we compare immunization of macaques with mRNA vaccines expressing ancestral spike either including or lacking diproline substitutions, and show the diproline substitutions were not required for protection against SARS-CoV-2 challenge or induction of broadly neutralizing B cell lineages. One group of nAbs elicited by the ancestral spike lacking diproline substitutions targeted the outer face of the receptor binding domain (RBD), neutralized all tested SARS-CoV-2 VOCs including Omicron XBB.1.5, but lacked cross-Sarbecovirus neutralization. Structural analysis showed that the macaque broad SARS-CoV-2 VOC nAbs bound to the same epitope as a human broad SARS-CoV-2 VOC nAb, DH1193. Vaccine-induced antibodies that targeted the RBD inner face neutralized multiple Sarbecoviruses, protected mice from bat CoV RsSHC014 challenge, but lacked Omicron variant neutralization. Thus, ancestral SARS-CoV-2 spike lacking proline substitutions encoded by nucleoside-modified mRNA can induce B cell lineages binding to distinct RBD sites that either broadly neutralize animal and human Sarbecoviruses or recent Omicron VOCs. One Sentence Summary Non-stabilized SARS-CoV-2 Spike mRNA vaccination activated B cells that target either conserved epitopes on SARS-CoV-2 Omicron variants of concern, or cross-neutralizing epitopes on pre-emergent Sarbecoviruses.

ABSTRACT Appetitive locomotion is essential for organisms to approach rewards, such as food and prey. How the brain controls appetitive locomotion is poorly understood. In a naturalistic goal-directed behavior—predatory hunting, we demonstrate an excitatory brain circuit from the superior colliculus (SC) to the substantia nigra pars compacta (SNc) to boost appetitive locomotion. The SC-SNc pathway transmitted locomotion-speed signals to dopamine neurons and triggered dopamine release in the dorsal striatum. Activation of this pathway increased the speed and frequency of approach during predatory hunting, an effect that depended on the activities of SNc dopamine neurons. Conversely, synaptic inactivation of this pathway impaired appetitive locomotion but not defensive or exploratory locomotion. Together, these data revealed the SC as an important source to provide locomotion-related signals to SNc dopamine neurons to boost appetitive locomotion.

Abstract Compartmentalization is one of the principles of chromosome 3D organization and has been suggested to be driven by the attraction of heterochromatin. The extent to which the pericentromeric heterochromatin (PCH) impacts chromosome compartmentalization is yet unclear. Here we produced a chromosome-level and fully phased diploid genome of an aquaculture fish, zig-zag eel ( Mastacembelus armatus ), and identified the centromeric and pericentromeric regions in the majority of chromosomes of both haploid genomes. The PCH is on average 4.2 Mb long, covering 17.7% of the chromosomes, and is the major target of histone 3 lysine 9 trimethylation (H3K9me3). In nearly half of the chromosomes, the PCH drives the chromosomes into two or three megascale chromatin domains with the PCH being a single one. We further demonstrate that PCH has a major impact in submetacentric, metacentric and small telocentric chromosomes in which the PCH drives the distribution of active and inactive compartments along the chromosomes. Additionally, we identified the young and homomorphic XY sex chromosomes that are submetacentric with the entire short-arm heterochromatinized. Interestingly, the sex-determining region seems to arise within the PCH that has been in place prior to the X-Y divergence and recombination suppression. Together, we demonstrate that the PCH can cover a considerably large portion of the chromosomes, and when it does so, it drives chromosome compartmentalization; and we propose a new model for the origin and evolution of homomorphic sex chromosomes in fish.