The coronavirus (CoV) spike (S) protein, involved in viral–host cell fusion, is the primary immunogenic target for virus neutralization and the current focus of many vaccine design efforts. The highly flexible S-protein, with its mobile domains, presents a moving target to the immune system. Here, to better understand S-protein mobility, we implemented a structure-based vector analysis of available β-CoV S-protein structures. Despite an overall similarity in domain organization, we found that S-proteins from different β-CoVs display distinct configurations. Based on this analysis, we developed two soluble ectodomain constructs for the SARS-CoV-2 S-protein, in which the highly immunogenic and mobile receptor binding domain (RBD) is either locked in the all-RBDs 'down' position or adopts 'up' state conformations more readily than the wild-type S-protein. These results demonstrate that the conformation of the S-protein can be controlled via rational design and can provide a framework for the development of engineered CoV S-proteins for vaccine applications. The SARS-CoV-2 spike glycoprotein is flexible, and its receptor-binding domain (RBD) fluctuates between up or down conformations. Mutations engineered into the spike ectodomain either lock the RBD in the down state or make it adopt the up conformation more readily.

SARS-CoV-2 from alpha to epsilon As battles to contain the COVID-19 pandemic continue, attention is focused on emerging variants of the severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) virus that have been deemed variants of concern because they are resistant to antibodies elicited by infection or vaccination or they increase transmissibility or disease severity. Three papers used functional and structural studies to explore how mutations in the viral spike protein affect its ability to infect host cells and to evade host immunity. Gobeil et al . looked at a variant spike protein involved in transmission between minks and humans, as well as the B1.1.7 (alpha), B.1.351 (beta), and P1 (gamma) spike variants; Cai et al . focused on the alpha and beta variants; and McCallum et al . discuss the properties of the spike protein from the B1.1.427/B.1.429 (epsilon) variant. Together, these papers show a balance among mutations that enhance stability, those that increase binding to the human receptor ACE2, and those that confer resistance to neutralizing antibodies. —VV

The severe acute respiratory coronavirus 2 (SARS-CoV-2) spike (S) protein is the target of vaccine design efforts to end the coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic. Despite a low mutation rate, isolates with the D614G substitution in the S protein appeared early during the pandemic and are now the dominant form worldwide. Here, we explore S conformational changes and the effects of the D614G mutation on a soluble S ectodomain construct. Cryoelectron microscopy (cryo-EM) structures reveal altered receptor binding domain (RBD) disposition; antigenicity and proteolysis experiments reveal structural changes and enhanced furin cleavage efficiency of the G614 variant. Furthermore, furin cleavage alters the up/down ratio of the RBDs in the G614 S ectodomain, demonstrating an allosteric effect on RBD positioning triggered by changes in the SD2 region, which harbors residue 614 and the furin cleavage site. Our results elucidate SARS-CoV-2 S conformational landscape and allostery and have implications for vaccine design.

SARS-CoV-2-neutralizing antibodies (NAbs) protect against COVID-19. A concern regarding SARS-CoV-2 antibodies is whether they mediate disease enhancement. Here, we isolated NAbs against the receptor-binding domain (RBD) or the N-terminal domain (NTD) of SARS-CoV-2 spike from individuals with acute or convalescent SARS-CoV-2 or a history of SARS-CoV infection. Cryo-electron microscopy of RBD and NTD antibodies demonstrated function-specific modes of binding. Select RBD NAbs also demonstrated Fc receptor-γ (FcγR)-mediated enhancement of virus infection in vitro, while five non-neutralizing NTD antibodies mediated FcγR-independent in vitro infection enhancement. However, both types of infection-enhancing antibodies protected from SARS-CoV-2 replication in monkeys and mice. Three of 46 monkeys infused with enhancing antibodies had higher lung inflammation scores compared to controls. One monkey had alveolar edema and elevated bronchoalveolar lavage inflammatory cytokines. Thus, while in vitro antibody-enhanced infection does not necessarily herald enhanced infection in vivo, increased lung inflammation can rarely occur in SARS-CoV-2 antibody-infused macaques.

New SARS-CoV-2 variants that have accumulated multiple mutations in the spike (S) glycoprotein enable increased transmission and resistance to neutralizing antibodies. Here, we study the antigenic and structural impacts of the S protein mutations from four variants, one that was involved in transmission between minks and humans, and three that rapidly spread in human populations and originated in the United Kingdom, Brazil or South Africa. All variants either retained or improved binding to the ACE2 receptor. The B.1.1.7 (UK) and B.1.1.28 (Brazil) spike variants showed reduced binding to neutralizing NTD and RBD antibodies, respectively, while the B.1.351 (SA) variant showed reduced binding to both NTD- and RBD-directed antibodies. Cryo-EM structural analyses revealed allosteric effects of the mutations on spike conformations and revealed mechanistic differences that either drive inter-species transmission or promotes viral escape from dominant neutralizing epitopes.Cryo-EM structures reveal changes in SARS-CoV-2 S protein during inter-species transmission or immune evasion.Adaptation to mink resulted in increased ACE2 binding and spike destabilization.B.1.1.7 S mutations reveal an intricate balance of stabilizing and destabilizing effects that impact receptor and antibody binding.E484K mutation in B.1.351 and B.1.1.28 S proteins drives immune evasion by altering RBD conformation.S protein uses different mechanisms to converge upon similar solutions for altering RBD up/down positioning.

The glycan shield of the beta-coronavirus (β-CoV) Spike (S) glycoprotein provides protection from host immune responses, acting as a steric block to potentially neutralizing antibody responses. The conformationally dynamic S-protein is the primary immunogenic target of vaccine design owing to its role in host-cell fusion, displaying multiple receptor binding domain (RBD) 'up' and 'down' state configurations. Here, we investigated the potential for RBD adjacent, N-terminal domain (NTD) glycans to influence the conformational equilibrium of these RBD states. Using a combination of antigenic screens and high-resolution cryo-EM structure determination, we show that an N-glycan deletion at position 234 results in a dramatically reduced population of the 'up' state RBD position. Conversely, glycan deletion at position N165 results in a discernable increase in 'up' state RBDs. This indicates the glycan shield acts not only as a passive hinderance to antibody meditated immunity but also as a conformational control element. Together, our results demonstrate this highly dynamic conformational machine is responsive to glycan modification with implications in viral escape and vaccine design.

Abstract The SARS-CoV-2 spike (S) protein is the target of vaccine design efforts to end the COVID-19 pandemic. Despite a low mutation rate, isolates with the D614G substitution in the S protein appeared early during the pandemic, and are now the dominant form worldwide. Here, we analyze the D614G mutation in the context of a soluble S ectodomain construct. Cryo-EM structures, antigenicity and proteolysis experiments suggest altered conformational dynamics resulting in enhanced furin cleavage efficiency of the G614 variant. Furthermore, furin cleavage altered the conformational dynamics of the Receptor Binding Domains (RBD) in the G614 S ectodomain, demonstrating an allosteric effect on the RBD dynamics triggered by changes in the SD2 region, that harbors residue 614 and the furin cleavage site. Our results elucidate SARS-CoV-2 spike conformational dynamics and allostery, and have implications for vaccine design. Highlights SARS-CoV-2 S ectodomains with or without the K986P, V987P mutations have similar structures, antigenicity and stability. The D614G mutation alters S protein conformational dynamics. D614G enhances protease cleavage susceptibility at the S protein furin cleavage site. Cryo-EM structures reveal allosteric effect of changes at the S1/S2 junction on RBD dynamics.

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 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.

Understanding and eliciting protective immune responses to severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is an urgent priority. To facilitate these objectives, we have profiled the repertoire of human leukocyte antigen class II (HLA-II)-bound peptides presented by HLA-DR diverse monocyte-derived dendritic cells pulsed with SARS-CoV-2 spike (S) protein. We identify 209 unique HLA-II-bound peptide sequences, many forming nested sets, which map to sites throughout S including glycosylated regions. Comparison of the glycosylation profile of the S protein to that of the HLA-II-bound S peptides revealed substantial trimming of glycan residues on the latter, likely introduced during antigen processing. Our data also highlight the receptor-binding motif in S1 as a HLA-DR-binding peptide-rich region. Results from this study have application in vaccine design, and will aid analysis of CD4+ T cell responses in infected individuals and vaccine recipients.