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.

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.

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.

SUMMARY Understanding the human antibody response to emerging viral pathogens is key to epidemic preparedness. As the size of the B cell response to a pathogenic virus protective antigen is undefined, we performed deep paired heavy and light chain sequencing in EBOV-GP specific memory B cells, allowing analysis of the ebolavirus-specific antibody repertoire both genetically and functionally. This approach facilitated investigation of the molecular and genetic basis for evolution of cross-reactive antibodies by elucidating germline-encoded properties of antibodies to EBOV and identification of the overlap between antibodies in the memory B-cell and serum repertoire. We identified 73 public clonotypes to EBOV, 20% of which encoded antibodies with neutralization activity and capacity to protect in vivo . This comprehensive analysis of the public and private antibody repertoire provides insight into the molecular basis of the humoral immune response to EBOV-GP, which informs vaccine design of new vaccines and improved therapeutics.

ABSTRACT 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 SARS-CoV-2 infection or in plasmablasts from an individual after vaccination with mRNA-encoded spike protein. We identified 29 public clonotypes, including clones recognizing the receptor-binding domain (RBD) in the spike protein S1 subunit (including a neutralizing, ACE2-blocking clone that protects in vivo ), and others recognizing non-RBD epitopes that bound the heptad repeat 1 region of the S2 domain. Germline-revertant forms of some public clonotypes bound 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.

SUMMARY The protective human antibody response to the severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) virus focuses on the spike (S) protein which decorates the virion surface and mediates cell binding and entry. Most SARS-CoV-2 protective antibodies target the receptor- binding domain or a single dominant epitope (‘supersite’) on the N terminal domain (NTD). Here, using the single B cell technology LIBRA-seq, we isolated a large panel of NTD-reactive and SARS-CoV-2 neutralizing antibodies from an individual who had recovered from COVID-19. We found that neutralizing antibodies to the NTD supersite commonly are encoded by the IGHV1-24 gene, forming a genetic cluster that represents a public B cell clonotype. However, we also discovered a rare human antibody, COV2-3434, that recognizes a site of vulnerability on the SARS-CoV-2 S protein in the trimer interface and possesses a distinct class of functional activity. COV2-3434 disrupted the integrity of S protein trimers, inhibited cell-to-cell spread of virus in culture, and conferred protection in human ACE2 transgenic mice against SARS-CoV-2 challenge. This study provides insight about antibody targeting of the S protein trimer interface region, suggesting this region may be a site of virus vulnerability.

The function of the spike protein N terminal domain (NTD) in coronavirus (CoV) infections is poorly understood. However, some rare antibodies that target the SARS-CoV-2 NTD potently neutralize the virus. This finding suggests the NTD may contribute in part to protective immunity. Pan-sarbecovirus antibodies are desirable for broad protection, but the NTD region of SARS-CoV and SARS-CoV-2 exhibit a high level of sequence divergence, and therefore, cross-reactive NTD-specific antibodies are unexpected, and there is no structure of a SARS-CoV NTD-specific antibody in complex with NTD. Here we report a monoclonal antibody COV1-65 encoded by the IGHV1-69 gene that recognizes the NTD of SARS-CoV S protein. A prophylaxis study showed the MAb COV1-65 prevented disease when administered before SARS-CoV challenge of BALB/c mice, an effect that requires intact Fc effector functions for optimal protection in vivo. The footprint on the S protein of COV1-65 is near to functional components of the S2 fusion machinery, and the selection of COV1-65 escape mutant viruses identified critical residues Y886H and Q974H, which likely affect the epitope through allosteric effects. Structural features of the mAb COV1-65-SARS-CoV antigen interaction suggest critical antigenic determinants that should be considered in the rational design of sarbecovirus vaccine candidates.

Influenza B viruses (IBVs) comprise a substantial portion of the circulating seasonal human influenza viruses. Here, we describe the isolation of human monoclonal antibodies (mAbs) that recognized the IBV neuraminidase (NA) glycoprotein from an individual following seasonal vaccination. Competition-binding experiments suggested the antibodies recognized two major antigenic sites. One group, which included mAb FluB-393, broadly inhibited IBV NA sialidase activity, protected prophylactically in vivo, and bound to the lateral corner of NA. The second group contained an active site mAb, FluB-400, that broadly inhibited IBV NA sialidase activity and virus replication in vitro in primary human respiratory epithelial cell cultures and protected against IBV in vivo when administered systemically or intranasally. Overall, the findings described here shape our mechanistic understanding of the human immune response to the IBV NA glycoprotein through the demonstration of two mAb delivery routes for protection against IBV and the identification of potential IBV therapeutic candidates.