Abstract mRNA-based vaccines provide effective protection against most common SARS-CoV-2 variants. However, identifying likely breakthrough variants is critical for future vaccine development. Here, we found that the Delta variant completely escaped from anti-N-terminal domain (NTD) neutralizing antibodies, while increasing responsiveness to anti-NTD infectivity-enhancing antibodies. Although Pfizer-BioNTech BNT162b2-immune sera neutralized the Delta variant, when four common mutations were introduced into the receptor binding domain (RBD) of the Delta variant (Delta 4+), some BNT162b2-immune sera lost neutralizing activity and enhanced the infectivity. Unique mutations in the Delta NTD were involved in the enhanced infectivity by the BNT162b2-immune sera. Sera of mice immunized by Delta spike, but not wild-type spike, consistently neutralized the Delta 4+ variant without enhancing infectivity. Given the fact that a Delta variant with three similar RBD mutations has already emerged according to the GISAID database, it is necessary to develop vaccines that protect against such complete breakthrough variants.

Abstract SARS-CoV-2 infection causes severe symptoms in a subset of patients, suggesting the presence of certain unknown risk factors. Although antibodies against the receptor-binding domain (RBD) of the SARS-CoV-2 spike have been shown prevent SARS-CoV-2 infection, the effects of antibodies against other spike protein domains are largely unknown. Here, we screened a series of anti-spike monoclonal antibodies from COVID-19 patients, and found that some of antibodies against the N-terminal domain (NTD) dramatically enhanced the binding capacity of the spike protein to ACE2, and thus increased SARS-CoV2 infectivity. Surprisingly, mutational analysis revealed that all the infectivity-enhancing antibodies recognized a specific site on the surface of the NTD. The antibodies against this infectivity-enhancing site were detected in all samples of hospitalized COVID-19 patients in the study. However, the ratio of infectivity-enhancing antibodies to neutralizing antibodies differed among patients. Furthermore, the antibodies against the infectivity-enhancing site were detected in 3 out of 48 uninfected donors, albeit at low levels. These findings suggest that the production of antibodies against SARS-CoV-2 infectivity-enhancing site could be considered as a possible exacerbating factors for COVID-19 and that a spike protein lacking such antibody epitopes may be required for safe vaccine development, especially for individuals with pre-existing enhancing antibodies.

Aberrant immune responses to viral pathogens contribute to pathogenesis, but our understanding of pathological immune responses caused by viruses within the human virome, especially at a population scale, remains limited. We analyzed whole-genome sequencing datasets of 6,321 Japanese individuals, including patients with autoimmune diseases (psoriasis vulgaris, rheumatoid arthritis (RA), systemic lupus erythematosus (SLE), pulmonary alveolar proteinosis (PAP) or multiple sclerosis) and coronavirus disease 2019 (COVID-19), or healthy controls. We systematically quantified two constituents of the blood DNA virome, endogenous HHV-6 (eHHV-6) and anellovirus. Participants with eHHV-6B had higher risks of SLE and PAP; the former was validated in All of Us. eHHV-6B-positivity and high SLE disease activity index scores had strong correlations. Genome-wide association study and long-read sequencing mapped the integration of the HHV-6B genome to a locus on chromosome 22q. Epitope mapping and single-cell RNA sequencing revealed distinctive immune induction by eHHV-6B in patients with SLE. In addition, high anellovirus load correlated strongly with SLE, RA and COVID-19 status. Our analyses unveil relationships between the human virome and autoimmune and infectious diseases. Analysis of the blood DNA virome in patients with COVID-19 and autoimmune disease associates endogenous HHV-6 (eHHV-6) and high anellovirus load with increased disease risk, most notably for systemic lupus erythematosus. eHHV-6 carriers show a distinct immune response.