Antibodies targeting the SARS-CoV-2 spike receptor-binding domain (RBD) are being developed as therapeutics and are a major contributor to neutralizing antibody responses elicited by infection. Here, we describe a deep mutational scanning method to map how all amino-acid mutations in the RBD affect antibody binding and apply this method to 10 human monoclonal antibodies. The escape mutations cluster on several surfaces of the RBD that broadly correspond to structurally defined antibody epitopes. However, even antibodies targeting the same surface often have distinct escape mutations. The complete escape maps predict which mutations are selected during viral growth in the presence of single antibodies. They further enable the design of escape-resistant antibody cocktails—including cocktails of antibodies that compete for binding to the same RBD surface but have different escape mutations. Therefore, complete escape-mutation maps enable rational design of antibody therapeutics and assessment of the antigenic consequences of viral evolution.

The ongoing pandemic of coronavirus disease 2019 (COVID-19), which is caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), is a major threat to global health1 and the medical countermeasures available so far are limited2,3. Moreover, we currently lack a thorough understanding of the mechanisms of humoral immunity to SARS-CoV-24. Here we analyse a large panel of human monoclonal antibodies that target the spike (S) glycoprotein5, and identify several that exhibit potent neutralizing activity and fully block the receptor-binding domain of the S protein (SRBD) from interacting with human angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2). Using competition-binding, structural and functional studies, we show that the monoclonal antibodies can be clustered into classes that recognize distinct epitopes on the SRBD, as well as distinct conformational states of the S trimer. Two potently neutralizing monoclonal antibodies, COV2-2196 and COV2-2130, which recognize non-overlapping sites, bound simultaneously to the S protein and neutralized wild-type SARS-CoV-2 virus in a synergistic manner. In two mouse models of SARS-CoV-2 infection, passive transfer of COV2-2196, COV2-2130 or a combination of both of these antibodies protected mice from weight loss and reduced the viral burden and levels of inflammation in the lungs. In addition, passive transfer of either of two of the most potent ACE2-blocking monoclonal antibodies (COV2-2196 or COV2-2381) as monotherapy protected rhesus macaques from SARS-CoV-2 infection. These results identify protective epitopes on the SRBD and provide a structure-based framework for rational vaccine design and the selection of robust immunotherapeutic agents. An analysis identifies human monoclonal antibodies that potently neutralize wild-type SARS-CoV-2 and protect animals from disease, including two that synergize in a cocktail, suggesting that these could be candidates for use as therapeutic agents for the treatment of COVID-19 in humans.

Antibodies are a principal determinant of immunity for most RNA viruses and have promise to reduce infection or disease during major epidemics. The novel coronavirus SARS-CoV-2 has caused a global pandemic with millions of infections and hundreds of thousands of deaths to date1,2. In response, we used a rapid antibody discovery platform to isolate hundreds of human monoclonal antibodies (mAbs) against the SARS-CoV-2 spike (S) protein. We stratify these mAbs into five major classes on the basis of their reactivity to subdomains of S protein as well as their cross-reactivity to SARS-CoV. Many of these mAbs inhibit infection of authentic SARS-CoV-2 virus, with most neutralizing mAbs recognizing the receptor-binding domain (RBD) of S. This work defines sites of vulnerability on SARS-CoV-2 S and demonstrates the speed and robustness of advanced antibody discovery platforms. A platform for rapid antibody discovery enabled the isolation of hundreds of human monoclonal antibodies against SARS-CoV-2 and the prioritization of potent antibody candidates for clinical trials in patients with COVID-19.

Most human monoclonal antibodies (mAbs) neutralizing SARS-CoV-2 recognize the spike (S) protein receptor-binding domain and block virus interactions with the cellular receptor angiotensin-converting enzyme 2. We describe a panel of human mAbs binding to diverse epitopes on the N-terminal domain (NTD) of S protein from SARS-CoV-2 convalescent donors and found a minority of these possessed neutralizing activity. Two mAbs (COV2-2676 and COV2-2489) inhibited infection of authentic SARS-CoV-2 and recombinant VSV/SARS-CoV-2 viruses. We mapped their binding epitopes by alanine-scanning mutagenesis and selection of functional SARS-CoV-2 S neutralization escape variants. Mechanistic studies showed that these antibodies neutralize in part by inhibiting a post-attachment step in the infection cycle. COV2-2676 and COV2-2489 offered protection either as prophylaxis or therapy, and Fc effector functions were required for optimal protection. Thus, natural infection induces a subset of potent NTD-specific mAbs that leverage neutralizing and Fc-mediated activities to protect against SARS-CoV-2 infection using multiple functional attributes.

Understanding the molecular basis for immune recognition of SARS-CoV-2 spike glycoprotein antigenic sites will inform the development of improved therapeutics. We determined the structures of two human monoclonal antibodies–AZD8895 and AZD1061–which form the basis of the investigational antibody cocktail AZD7442, in complex with the receptor-binding domain (RBD) of SARS-CoV-2 to define the genetic and structural basis of neutralization. AZD8895 forms an 'aromatic cage' at the heavy/light chain interface using germ line-encoded residues in complementarity-determining regions (CDRs) 2 and 3 of the heavy chain and CDRs 1 and 3 of the light chain. These structural features explain why highly similar antibodies (public clonotypes) have been isolated from multiple individuals. AZD1061 has an unusually long LCDR1; the HCDR3 makes interactions with the opposite face of the RBD from that of AZD8895. Using deep mutational scanning and neutralization escape selection experiments, we comprehensively mapped the crucial binding residues of both antibodies and identified positions of concern with regards to virus escape from antibody-mediated neutralization. Both AZD8895 and AZD1061 have strong neutralizing activity against SARS-CoV-2 and variants of concern with antigenic substitutions in the RBD. We conclude that germ line-encoded antibody features enable recognition of the SARS-CoV-2 spike RBD and demonstrate the utility of the cocktail AZD7442 in neutralizing emerging variant viruses. Structural analysis of two human monoclonal antibodies that conform the antibody cocktail AZD7442, in complex with the RBD of SARS-CoV-2, reveal strong neutralization of SARS-CoV-2 variants of concern.

Unrelated individuals can produce genetically similar clones of antibodies, known as public clonotypes, which have been seen in responses to different infectious diseases, as well as healthy individuals. Here we identify 37 public clonotypes in memory B cells from convalescent survivors of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infection or in plasmablasts from an individual after vaccination with mRNA-encoded spike protein. We identify 29 public clonotypes, including clones recognizing the receptor-binding domain (RBD) in the spike protein S1 subunit (including a neutralizing, angiotensin-converting enzyme 2 [ACE2]-blocking clone that protects in vivo) and others recognizing non-RBD epitopes that bind the S2 domain. Germline-revertant forms of some public clonotypes bind efficiently to spike protein, suggesting these common germline-encoded antibodies are preconfigured for avid recognition. Identification of large numbers of public clonotypes provides insight into the molecular basis of efficacy of SARS-CoV-2 vaccines and sheds light on the immune pressures driving the selection of common viral escape mutants.

The SARS-CoV-2 pandemic has led to an urgent need to understand the molecular basis for immune recognition of SARS-CoV-2 spike (S) glycoprotein antigenic sites. To define the genetic and structural basis for SARS-CoV-2 neutralization, we determined the structures of two human monoclonal antibodies COV2-2196 and COV2-2130 1 , which form the basis of the investigational antibody cocktail AZD7442, in complex with the receptor binding domain (RBD) of SARS-CoV-2. COV2-2196 forms an “aromatic cage” at the heavy/light chain interface using germline-encoded residues in complementarity determining regions (CDRs) 2 and 3 of the heavy chain and CDRs 1 and 3 of the light chain. These structural features explain why highly similar antibodies (public clonotypes) have been isolated from multiple individuals 1–4 . The structure of COV2-2130 reveals that an unusually long LCDR1 and HCDR3 make interactions with the opposite face of the RBD from that of COV2-2196. Using deep mutational scanning and neutralization escape selection experiments, we comprehensively mapped the critical residues of both antibodies and identified positions of concern for possible viral escape. Nonetheless, both COV2-2196 and COV2-2130 showed strong neutralizing activity against SARS-CoV-2 strain with recent variations of concern including E484K, N501Y, and D614G substitutions. These studies reveal germline-encoded antibody features enabling recognition of the RBD and demonstrate the activity of a cocktail like AZD7442 in preventing escape from emerging variant viruses.

Antibodies are a principal determinant of immunity for most RNA viruses and have promise to reduce infection or disease during major epidemics. The novel coronavirus SARS-CoV-2 has caused a global pandemic with millions of infections and hundreds of thousands of deaths to date 1,2 . In response, we used a rapid antibody discovery platform to isolate hundreds of human monoclonal antibodies (mAbs) against the SARS-CoV-2 spike (S) protein. We stratify these mAbs into five major classes based on their reactivity to subdomains of S protein as well as their cross-reactivity to SARS-CoV. Many of these mAbs inhibit infection of authentic SARS-CoV-2 virus, with most neutralizing mAbs recognizing the receptor-binding domain (RBD) of S. This work defines sites of vulnerability on SARS-CoV-2 S and demonstrates the speed and robustness of new antibody discovery methodologies.

The COVID-19 pandemic is a major threat to global health for which there are only limited medical countermeasures, and we lack a thorough understanding of mechanisms of humoral immunity 1,2 . From a panel of monoclonal antibodies (mAbs) targeting the spike (S) glycoprotein isolated from the B cells of infected subjects, we identified several mAbs that exhibited potent neutralizing activity with IC 50 values as low as 0.9 or 15 ng/mL in pseudovirus or wild-type ( wt ) SARS-CoV-2 neutralization tests, respectively. The most potent mAbs fully block the receptor-binding domain of S (S RBD ) from interacting with human ACE2. Competition-binding, structural, and functional studies allowed clustering of the mAbs into defined classes recognizing distinct epitopes within major antigenic sites on the S RBD . Electron microscopy studies revealed that these mAbs recognize distinct conformational states of trimeric S protein. Potent neutralizing mAbs recognizing unique sites, COV2-2196 and COV2-2130, bound simultaneously to S and synergistically neutralized authentic SARS-CoV-2 virus. In two murine models of SARS-CoV-2 infection, passive transfer of either COV2-2916 or COV2-2130 alone or a combination of both mAbs protected mice from severe weight loss and reduced viral burden and inflammation in the lung. These results identify protective epitopes on the S RBD and provide a structure-based framework for rational vaccine design and the selection of robust immunotherapeutic cocktails.

ABSTRACT The COVID-19 pandemic underscored the promise of monoclonal antibody-based prophylactic and therapeutic drugs 1–3 , but also revealed how quickly viral escape can curtail effective options 4, 5 . With the emergence of the SARS-CoV-2 Omicron variant in late 2021, many clinically used antibody drug products lost potency, including Evusheld TM and its constituent, cilgavimab 4, 6 . Cilgavimab, like its progenitor COV2-2130, is a class 3 antibody that is compatible with other antibodies in combination 4 and is challenging to replace with existing approaches. Rapidly modifying such high-value antibodies with a known clinical profile to restore efficacy against emerging variants is a compelling mitigation strategy. We sought to redesign COV2-2130 to rescue in vivo efficacy against Omicron BA.1 and BA.1.1 strains while maintaining efficacy against the contemporaneously dominant Delta variant. Here we show that our computationally redesigned antibody, 2130-1-0114-112, achieves this objective, simultaneously increases neutralization potency against Delta and many variants of concern that subsequently emerged, and provides protection in vivo against the strains tested, WA1/2020, BA.1.1, and BA.5. Deep mutational scanning of tens of thousands pseudovirus variants reveals 2130-1-0114-112 improves broad potency without incurring additional escape liabilities. Our results suggest that computational approaches can optimize an antibody to target multiple escape variants, while simultaneously enriching potency. Because our approach is computationally driven, not requiring experimental iterations or pre-existing binding data, it could enable rapid response strategies to address escape variants or pre-emptively mitigate escape vulnerabilities.