Continued uncontrolled transmission of SARS-CoV-2 in many parts of the world is creating conditions for substantial evolutionary changes to the virus1,2. Here we describe a newly arisen lineage of SARS-CoV-2 (designated 501Y.V2; also known as B.1.351 or 20H) that is defined by eight mutations in the spike protein, including three substitutions (K417N, E484K and N501Y) at residues in its receptor-binding domain that may have functional importance3-5. This lineage was identified in South Africa after the first wave of the epidemic in a severely affected metropolitan area (Nelson Mandela Bay) that is located on the coast of the Eastern Cape province. This lineage spread rapidly, and became dominant in Eastern Cape, Western Cape and KwaZulu-Natal provinces within weeks. Although the full import of the mutations is yet to be determined, the genomic data-which show rapid expansion and displacement of other lineages in several regions-suggest that this lineage is associated with a selection advantage that most plausibly results from increased transmissibility or immune escape6-8.

Vaccination elicits immune responses capable of potently neutralizing SARS-CoV-2. However, ongoing surveillance has revealed the emergence of variants harboring mutations in spike, the main target of neutralizing antibodies. To understand the impact of these variants, we evaluated the neutralization potency of 99 individuals that received one or two doses of either BNT162b2 or mRNA-1273 vaccines against pseudoviruses representing 10 globally circulating strains of SARS-CoV-2. Five of the 10 pseudoviruses, harboring receptor-binding domain mutations, including K417N/T, E484K, and N501Y, were highly resistant to neutralization. Cross-neutralization of B.1.351 variants was comparable to SARS-CoV and bat-derived WIV1-CoV, suggesting that a relatively small number of mutations can mediate potent escape from vaccine responses. While the clinical impact of neutralization resistance remains uncertain, these results highlight the potential for variants to escape from neutralizing humoral immunity and emphasize the need to develop broadly protective interventions against the evolving pandemic.

Assessment of the safety and efficacy of vaccines against the severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) in different populations is essential, as is investigation of the efficacy of the vaccines against emerging SARS-CoV-2 variants of concern, including the B.1.351 (501Y.V2) variant first identified in South Africa.

Abstract The emergence of the SARS-CoV-2 variant of concern Omicron (Pango lineage B.1.1.529), first identified in Botswana and South Africa, may compromise vaccine effectiveness and lead to re-infections 1 . Here we investigated Omicron escape from neutralization by antibodies from South African individuals vaccinated with Pfizer BNT162b2. We used blood samples taken soon after vaccination from individuals who were vaccinated and previously infected with SARS-CoV-2 or vaccinated with no evidence of previous infection. We isolated and sequence-confirmed live Omicron virus from an infected person and observed that Omicron requires the angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) receptor to infect cells. We compared plasma neutralization of Omicron relative to an ancestral SARS-CoV-2 strain and found that neutralization of ancestral virus was much higher in infected and vaccinated individuals compared with the vaccinated-only participants. However, both groups showed a 22-fold reduction in vaccine-elicited neutralization by the Omicron variant. Participants who were vaccinated and had previously been infected exhibited residual neutralization of Omicron similar to the level of neutralization of the ancestral virus observed in the vaccination-only group. These data support the notion that reasonable protection against Omicron may be maintained using vaccination approaches.

The tumor suppressor p53, one of the most intensely investigated proteins1,2,3,4,5, is usually studied by experiments that are averaged over cell populations, potentially masking the dynamic behavior in individual cells. We present a system for following, in individual living cells, the dynamics of p53 and its negative regulator Mdm2 (refs. 1,4–7): this system uses functional p53-CFP and Mdm2-YFP fusion proteins and time-lapse fluorescence microscopy. We found that p53 was expressed in a series of discrete pulses after DNA damage. Genetically identical cells had different numbers of pulses: zero, one, two or more. The mean height and duration of each pulse were fixed and did not depend on the amount of DNA damage. The mean number of pulses, however, increased with DNA damage. This approach can be used to study other signaling systems and suggests that the p53-Mdm2 feedback loop generates a 'digital' clock that releases well-timed quanta of p53 until damage is repaired or the cell dies.

SARS-CoV-2 variants of concern (VOC) have arisen independently at multiple locations1,2 and may reduce the efficacy of current vaccines that target the spike glycoprotein of SARS-CoV-23. Here, using a live-virus neutralization assay, we compared the neutralization of a non-VOC variant with the 501Y.V2 VOC (also known as B.1.351) using plasma collected from adults who were hospitalized with COVID-19 during the two waves of infection in South Africa, the second wave of which was dominated by infections with the 501Y.V2 variant. Sequencing demonstrated that infections of plasma donors from the first wave were with viruses that did not contain the mutations associated with 501Y.V2, except for one infection that contained the E484K substitution in the receptor-binding domain. The 501Y.V2 virus variant was effectively neutralized by plasma from individuals who were infected during the second wave. The first-wave virus variant was effectively neutralized by plasma from first-wave infections. However, the 501Y.V2 variant was poorly cross-neutralized by plasma from individuals with first-wave infections; the efficacy was reduced by 15.1-fold relative to neutralization of 501Y.V2 by plasma from individuals infected in the second wave. By contrast, cross-neutralization of first-wave virus variants using plasma from individuals with second-wave infections was more effective, showing only a 2.3-fold decrease relative to neutralization of first-wave virus variants by plasma from individuals infected in the first wave. Although we tested only one plasma sample from an individual infected with a SARS-CoV-2 variant with only the E484K substitution, this plasma sample potently neutralized both variants. The observed effective neutralization of first-wave virus by plasma from individuals infected with 501Y.V2 provides preliminary evidence that vaccines based on VOC sequences could retain activity against other circulating SARS-CoV-2 lineages. Cross-neutralization assays of early variants and the 501Y.V2 variant of SARS-CoV-2 show that plasma from individuals infected with 501Y.V2 effectively neutralizes all variants, indicating that a vaccine that targets 501Y.V2 may also be effective against other SARS-CoV-2 variants.

Understanding the dynamics and variability of protein circuitry requires accurate measurements in living cells as well as theoretical models. To address this, we employed one of the best-studied protein circuits in human cells, the negative feedback loop between the tumor suppressor p53 and the oncogene Mdm2. We measured the dynamics of fluorescently tagged p53 and Mdm2 over several days in individual living cells. We found that isogenic cells in the same environment behaved in highly variable ways following DNA-damaging gamma irradiation: some cells showed undamped oscillations for at least 3 days (more than 10 peaks). The amplitude of the oscillations was much more variable than the period. Sister cells continued to oscillate in a correlated way after cell division, but lost correlation after about 11 h on average. Other cells showed low-frequency fluctuations that did not resemble oscillations. We also analyzed different families of mathematical models of the system, including a novel checkpoint mechanism. The models point to the possible source of the variability in the oscillations: low-frequency noise in protein production rates, rather than noise in other parameters such as degradation rates. This study provides a view of the extensive variability of the behavior of a protein circuit in living human cells, both from cell to cell and in the same cell over time.

Why do seemingly identical cells respond differently to a drug? To address this, we studied the dynamics and variability of the protein response of human cancer cells to a chemotherapy drug, camptothecin. We present a dynamic-proteomics approach that measures the levels and locations of nearly 1000 different endogenously tagged proteins in individual living cells at high temporal resolution. All cells show rapid translocation of proteins specific to the drug mechanism, including the drug target (topoisomerase-1), and slower, wide-ranging temporal waves of protein degradation and accumulation. However, the cells differ in the behavior of a subset of proteins. We identify proteins whose dynamics differ widely between cells, in a way that corresponds to the outcomes—cell death or survival. This opens the way to understanding molecular responses to drugs in individual cells.