The molecular composition and binding epitopes of the immunoglobulin G (IgG) antibodies that circulate in blood plasma after severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infection are unknown. Proteomic deconvolution of the IgG repertoire to the spike glycoprotein in convalescent subjects revealed that the response is directed predominantly (>80%) against epitopes residing outside the receptor binding domain (RBD). In one subject, just four IgG lineages accounted for 93.5% of the response, including an amino (N)-terminal domain (NTD)-directed antibody that was protective against lethal viral challenge. Genetic, structural, and functional characterization of a multidonor class of "public" antibodies revealed an NTD epitope that is recurrently mutated among emerging SARS-CoV-2 variants of concern. These data show that "public" NTD-directed and other non-RBD plasma antibodies are prevalent and have implications for SARS-CoV-2 protection and antibody escape.

SUMMARY Although humoral immunity is essential for control of SARS-CoV-2, the molecular composition, binding epitopes and effector functions of the immunoglobulin G (IgG) antibodies that circulate in blood plasma following infection are unknown. Proteomic deconvolution of the circulating IgG repertoire (Ig-Seq 1 ) to the spike ectodomain (S-ECD 2 ) in four convalescent study subjects revealed that the plasma response is oligoclonal and directed predominantly (>80%) to S-ECD epitopes that lie outside the receptor binding domain (RBD). When comparing antibodies directed to either the RBD, the N-terminal domain (NTD) or the S2 subunit (S2) in one subject, just four IgG lineages (1 anti-S2, 2 anti-NTD and 1 anti-RBD) accounted for 93.5% of the repertoire. Although the anti-RBD and one of the anti-NTD antibodies were equally potently neutralizing in vitro , we nonetheless found that the anti-NTD antibody was sufficient for protection to lethal viral challenge, either alone or in combination as a cocktail where it dominated the effect of the other plasma antibodies. We identified in vivo protective plasma anti-NTD antibodies in 3/4 subjects analyzed and discovered a shared class of antibodies targeting the NTD that utilize unmutated or near-germline IGHV1-24, the most electronegative IGHV gene in the human genome. Structural analysis revealed that binding to NTD is dominated by interactions with the heavy chain, accounting for 89% of the entire interfacial area, with germline residues uniquely encoded by IGHV1-24 contributing 20% (149 Å 2 ). Together with recent reports of germline IGHV1-24 antibodies isolated by B-cell cloning 3,4 our data reveal a class of shared IgG antibodies that are readily observed in convalescent plasma and underscore the role of NTD-directed antibodies in protection against SARS-CoV-2 infection.

Abstract The SARS-CoV-2 spike (S) protein is a critical component of subunit vaccines and a target for neutralizing antibodies. Spike is also undergoing immunogenic selection with clinical variants that increase infectivity and partially escape convalescent plasma. Here, we describe spike display, a high-throughput platform to rapidly characterize glycosylated spike ectodomains across multiple coronavirus-family proteins. We assayed ∼200 variant SARS-CoV-2 spikes for their expression, ACE2 binding, and recognition by thirteen neutralizing antibodies (nAbs). An alanine scan of all five N-terminal domain (NTD) loops highlights a public class of epitopes in the N1, N3, and N5 loops that are recognized by most of the NTD-binding nAbs. Some clinical NTD substitutions abrogate binding to these epitopes but are circulating at low frequencies around the globe. NTD mutations in variants of concern B.1.1.7 (United Kingdom), B.1.351 (South Africa), B.1.1.248 (Brazil), and B.1.427/B.1.429 (California) impact spike expression and escape most NTD-targeting nAbs. However, two classes of NTD nAbs still bind B.1.1.7 spikes and neutralize in pseudoviral assays. B.1.351 and B.1.1.248 include compensatory mutations that either increase spike expression or increase ACE2 binding affinity. Finally, B.1.351 and B.1.1.248 completely escape a potent ACE2 peptide mimic. We anticipate that spike display will accelerate antigen design, deep scanning mutagenesis, and antibody epitope mapping for SARS-CoV-2 and other emerging viral threats.

We describe the molecular-level composition of polyclonal immunoglobulin G (IgG) anti-spike antibodies from ancestral severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infection, vaccination, or their combination ("hybrid immunity") at monoclonal resolution. Infection primarily triggers S2/N-terminal domain (NTD)-reactive antibodies, whereas vaccination mainly induces anti-receptor-binding domain (RBD) antibodies. This imprint persists after secondary exposures wherein >60% of ensuing hybrid immunity derives from the original IgG pool. Monoclonal constituents of the original IgG pool can increase breadth, affinity, and prevalence upon secondary exposures, as exemplified by the plasma antibody SC27. Following a breakthrough infection, vaccine-induced SC27 gained neutralization breadth and potency against SARS-CoV-2 variants and zoonotic viruses (half-maximal inhibitory concentration [IC50] ∼0.1–1.75 nM) and increased its binding affinity to the protective RBD class 1/4 epitope (dissociation constant [KD] < 5 pM). According to polyclonal escape analysis, SC27-like binding patterns are common in SARS-CoV-2 hybrid immunity. Our findings provide a detailed molecular definition of immunological imprinting and show that vaccination can produce class 1/4 (SC27-like) IgG antibodies circulating in the blood.

We used plasma IgG proteomics to study the molecular composition and temporal durability of polyclonal IgG antibodies triggered by ancestral SARS-CoV-2 infection, vaccination, or their combination ("hybrid immunity"). Infection, whether primary or post-vaccination, mainly triggered an anti-spike antibody response to the S2 domain, while vaccination predominantly induced anti-RBD antibodies. Immunological imprinting persisted after a secondary (hybrid) exposure, with >60% of the ensuing serological response originating from the initial antibodies generated during the first exposure. We highlight one instance where hybrid immunity arising from breakthrough infection resulted in a marked increase in the breadth and affinity of a highly abundant vaccination-elicited plasma IgG antibody, SC27. With an intrinsic binding affinity surpassing a theoretical maximum (K

A better understanding of antitumor immune responses is key to advancing the field of cancer immunotherapy. Endogenous immunity in cancer patients, such as circulating anticancer antibodies or tumor-reactive B cells, has been historically yet incompletely described. Here, we demonstrate that tumor-draining (sentinel) lymph node (SN) is a rich source for tumor-reactive B cells that give rise to systemic IgG anticancer antibodies circulating in the bloodstream of breast cancer patients. Using a synergistic combination of high-throughput B-cell sequencing and quantitative immunoproteomics, we describe the prospective identification of tumor-reactive SN B cells (based on clonal frequency) and also demonstrate an unequivocal link between affinity-matured expanded B-cell clones in the SN and antitumor IgG in the blood. This technology could facilitate the discovery of antitumor antibody therapeutics and conceivably identify novel tumor antigens. Lastly, these findings highlight the unique and specialized niche the SN can fill in the advancement of cancer immunotherapy.