Sites of vulnerability in SARS-CoV-2 Antibodies that neutralize severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) could be an important tool in treating coronavirus disease 2019 (COVID-19). Brouwer et al. isolated 403 monoclonal antibodies from three convalescent COVID-19 patients. They show that the patients had strong immune responses against the viral spike protein, a complex that binds to receptors on the host cell. A subset of antibodies was able to neutralize the virus. Competition and electron microscopy studies showed that these antibodies target diverse epitopes on the spike, with the two most potent targeting the domain that binds the host receptor. Science , this issue p. 643

Community of antibodies against COVID-19 The severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 spike protein is the basis of many vaccines and is a primary target of neutralizing antibodies after COVID-19 infection. The Coronavirus Immunotherapeutic Consortium (CoVIC), comprising 56 partners across the world, has analyzed a panel of 269 monoclonal antibodies (mAbs) and, on the basis of competition profiles, sorted 186 mAbs that target the receptor binding domain into seven communities. Hastie et al . went on to structurally analyze representative antibody binding and used pseudovirus neutralization assays to study the effect of spike mutations on antibody function, including the combinations of mutations found in certain variants of concern. These results are important to guide both treatment and prevention efforts. —VV

Multiple severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) vaccines show protective efficacy, which is most likely mediated by neutralizing antibodies recognizing the viral entry protein, spike. Because new SARS-CoV-2 variants are emerging rapidly, as exemplified by the B.1.1.7, B.1.351, and P.1 lineages, it is critical to understand whether antibody responses induced by infection with the original SARS-CoV-2 virus or current vaccines remain effective. In this study, we evaluate neutralization of a series of mutated spike pseudotypes based on divergence from SARS-CoV and then compare neutralization of the B.1.1.7 spike pseudotype and individual mutations. Spike-specific monoclonal antibody neutralization is reduced dramatically; in contrast, polyclonal antibodies from individuals infected in early 2020 remain active against most mutated spike pseudotypes, but potency is reduced in a minority of samples. This work highlights that changes in SARS-CoV-2 spike can alter neutralization sensitivity and underlines the need for effective real-time monitoring of emerging mutations and their effect on vaccine efficacy.

Abstract Multiple SARS-CoV-2 vaccines have shown protective efficacy, which is most likely mediated by neutralizing antibodies recognizing the viral entry protein, Spike. Antibodies from SARS-CoV-2 infection neutralize the virus by focused targeting of Spike and there is limited serum cross-neutralization of the closely-related SARS-CoV. As new SARS-CoV-2 variants are rapidly emerging, exemplified by the B.1.1.7, 501Y.V2 and P.1 lineages, it is critical to understand if antibody responses induced by infection with the original SARS-CoV-2 virus or the current vaccines will remain effective against virus variants. In this study we evaluate neutralization of a series of mutated Spike pseudotypes including a B.1.1.7 Spike pseudotype. The analyses of a panel of Spike-specific monoclonal antibodies revealed that the neutralizing activity of some antibodies was dramatically reduced by Spike mutations. In contrast, polyclonal antibodies in the serum of patients infected in early 2020 remained active against most mutated Spike pseudotypes. The majority of serum samples were equally able to neutralize the B.1.1.7 Spike pseudotype, however potency was reduced in a small number of samples (3 of 36) by 5–10-fold. This work highlights that changes in the SARS-CoV-2 Spike can alter neutralization sensitivity and underlines the need for effective real-time monitoring of emerging mutations and their impact on vaccine efficacy.

Abstract Delineating the origins and properties of antibodies elicited by SARS-CoV-2 infection and vaccination is critical for understanding their benefits and potential shortcomings. Therefore, we investigated the SARS-CoV-2 spike (S)-reactive B cell repertoire in unexposed individuals by flow cytometry and single-cell sequencing. We found that ∼82% of SARS-CoV-2 S-reactive B cells show a naive phenotype, which represents an unusually high fraction of total human naive B cells (∼0.1%). Approximately 10% of these naive S-reactive B cells shared an IGHV1-69/IGKV3-11 B cell receptor pairing, an enrichment of 18-fold compared to the complete naive repertoire. A proportion of memory B cells, comprising switched (∼0.05%) and unswitched B cells (∼0.04%), was also reactive with S and some of these cells were reactive with ADAMTS13, which is associated with thrombotic thrombocytopenia. Following SARS-CoV-2 infection, we report an average 37-fold enrichment of IGHV1-69/IGKV3-11 B cell receptor pairing in the S-reactive memory B cells compared to the unselected memory repertoire. This class of B cells targets a previously undefined non-neutralizing epitope on the S2 subunit that becomes exposed on S proteins used in approved vaccines when they transition away from the native pre-fusion state because of instability. These findings can help guide the improvement of SARS-CoV-2 vaccines.

Abstract Determining how antibodies interact with the spike (S) protein of the SARS-CoV-2 virus is critical for combating COVID-19. Structural studies typically employ simplified, truncated constructs that may not fully recapitulate the behaviour of the original complexes. Here, we combine two single particle mass analysis techniques (mass photometry and charge-detection mass spectrometry) to enable measurement of full IgG binding to the trimeric SARS-CoV-2 S ectodomain. Our experiments reveal that antibodies targeting the S-trimer typically prefer stoichiometries lower than the symmetry-predicted 3:1 binding. We determine that this behaviour arises from the interplay of steric clashes and avidity effects that are not reflected in common antibody constructs (i.e. Fabs). Surprisingly, these sub-stoichiometric complexes are fully effective at blocking ACE2 binding despite containing free receptor binding sites. Our results highlight the importance of studying antibody/antigen interactions using complete, multimeric constructs and showcase the utility of single particle mass analyses in unraveling these complex interactions.

Abstract The rapid spread of SARS-CoV-2 has a significant impact on global health, travel and economy. Therefore, preventative and therapeutic measures are urgently needed. Here, we isolated neutralizing antibodies from convalescent COVID-19 patients using a SARS-CoV-2 stabilized prefusion spike protein. Several of these antibodies were able to potently inhibit live SARS-CoV-2 infection at concentrations as low as 0.007 µg/mL, making them the most potent human SARS-CoV-2 antibodies described to date. Mapping studies revealed that the SARS-CoV-2 spike protein contained multiple distinct antigenic sites, including several receptor-binding domain (RBD) epitopes as well as previously undefined non-RBD epitopes. In addition to providing guidance for vaccine design, these mAbs are promising candidates for treatment and prevention of COVID-19.

Abstract Chemical cross-linking is used to stabilise protein structure with additional benefits of pathogen and toxin inactivation for vaccine use, but its use is restricted by potential induction of local or global structural distortion. This is of particular importance when the protein in question requires a high degree of structural conservation for the purposes of understanding function, or for inducing a biological outcome such as elicitation of antibodies to conformationally-sensitive epitopes. The HIV-1 envelope glycoprotein (Env) trimer is metastable and shifts between different conformational states, complicating its functional analysis and use as a vaccine antigen. Here we have used the hetero-bifunctional zero-length reagent EDC to cross-link two soluble Env trimers, selected well-folded trimers using an antibody affinity column, and transferred this process to good manufacturing practice (GMP) for clinical trial use. Cross-linking enhanced GMP trimer stability to biophysical and enzyme attack, and had broadly beneficial effects on morphology, antigenicity and immunogenicity. Cryo-EM analysis revealed that cross-linking essentially completely retained overall structure with RMSDs between unmodified and cross-linked Env trimers of 0.4-0.5 Å. Despite this negligible distortion of global trimer structure we identified individual inter-subunit, intra-subunit and intra-protomer cross-links. Thus, EDC cross-linking maintains protein folding, improves stability, and is readily transferred to GMP, consistent with use of this approach in probing protein structure/function relationships and in the design of vaccines.

ABSTRACT Integrase Defective Lentiviral Vectors (IDLVs) represent an attractive vaccine platform for delivering HIV-1 antigens, given their ability to induce specific and persistent immune responses in both mice and non-human primates (NHPs). Recent advances in HIV-1 immunogen design demonstrated that native-like HIV-1 Envelope (Env) trimers that mimic the structure of virion-associated Env induce neutralization breadth in rabbits and macaques. Here, we describe the development of an IDLV-based HIV-1 vaccine expressing either soluble ConSOSL.UFO.664 or membrane-tethered ConSOSL.UFO.750 native-like Env immunogens with enhanced bNAb epitopes exposure. We show that IDLV can be pseudotyped with properly folded membrane-tethered native-like UFO.750 trimers. After a single IDLV injection in BALB/c mice, IDLV-UFO.750 induced a faster humoral kinetic as well as higher levels of anti-Env IgG compared to IDLV-UFO.664. IDLV-UFO.750 vaccinated cynomolgus macaques developed unusually long-lasting anti-Env IgG antibodies, as underlined by their remarkable half-life both after priming and boost with IDLV. After boosting with recombinant ConM SOSIP.v7 protein, two animals developed neutralization activity against the autologous tier 1B ConS virus mediated by V1/V2 and V3 glycan sites responses. By combining the possibility to display stabilized trimeric Env on the vector particles with the ability to induce sustained humoral responses, IDLVs represent an appropriate strategy for delivering rationally designed antigens to progress towards an effective HIV-1 vaccine.

Summary The SARS-CoV-2 pandemic is continuing to disrupt personal lives, global healthcare systems and economies. Hence, there is an urgent need for a vaccine that prevents viral infection, transmission and disease. Here, we present a two-component protein-based nanoparticle vaccine that displays multiple copies of the SARS-CoV-2 spike protein. Immunization studies show that this vaccine induces potent neutralizing antibody responses in mice, rabbits and cynomolgus macaques. The vaccine-induced immunity protected macaques against a high dose challenge, resulting in strongly reduced viral infection and replication in upper and lower airways. These nanoparticles are a promising vaccine candidate to curtail the SARS-CoV-2 pandemic.