The mRNA-1273 vaccine was recently determined to be effective against severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) from interim Phase 3 results. Human studies, however, cannot provide the controlled response to infection and complex immunological insight that are only possible with preclinical studies. Hamsters are the only model that reliably exhibit more severe SARS-CoV-2 disease similar to hospitalized patients, making them pertinent for vaccine evaluation. We demonstrate that prime or prime-boost administration of mRNA-1273 in hamsters elicited robust neutralizing antibodies, ameliorated weight loss, suppressed SARS-CoV-2 replication in the airways, and better protected against disease at the highest prime-boost dose. Unlike in mice and non-human primates, mRNA-1273- mediated immunity was non-sterilizing and coincided with an anamnestic response. Single-cell RNA sequencing of lung tissue permitted high resolution analysis which is not possible in vaccinated humans. mRNA-1273 prevented inflammatory cell infiltration and the reduction of lymphocyte proportions, but enabled antiviral responses conducive to lung homeostasis. Surprisingly, infection triggered transcriptome programs in some types of immune cells from vaccinated hamsters that were shared, albeit attenuated, with mock-vaccinated hamsters. Our results support the use of mRNA-1273 in a two-dose schedule and provides insight into the potential responses within the lungs of vaccinated humans who are exposed to SARS-CoV-2.

ABSTRACT SARS-CoV-2 therapeutic antibody discovery efforts have met with notable success but have been associated with a generally inefficient process, requiring the production and characterization of exceptionally large numbers of candidates for the identification of a small set of leads. Here, we show that incorporating antibody–ligand blocking as part of LIBRA-seq, the high-throughput sequencing platform for antibody discovery, results in efficient identification of ultra-potent neutralizing antibodies against SARS-CoV-2. LIBRA-seq with ligand blocking is a general platform for functional antibody discovery targeting the disruption of antigen–ligand interactions.

We report a live-attenuated SARS-CoV-2 vaccine candidate with (i) re-engineered viral transcriptional regulator sequences and (ii) deleted open-reading-frames (ORF) 3, 6, 7, and 8 (Δ3678). The Δ3678 virus replicates about 7,500-fold lower than wild-type SARS-CoV-2 on primary human airway cultures, but restores its replication on interferon-deficient Vero-E6 cells that are approved for vaccine production. The Δ3678 virus is highly attenuated in both hamster and K18-hACE2 mouse models. A single-dose immunization of the Δ3678 virus protects hamsters from wild-type virus challenge and transmission. Among the deleted ORFs in the Δ3678 virus, ORF3a accounts for the most attenuation through antagonizing STAT1 phosphorylation during type-I interferon signaling. We also developed an mNeonGreen reporter Δ3678 virus for high-throughput neutralization and antiviral testing. Altogether, the results suggest that Δ3678 SARS-CoV-2 may serve as a live-attenuated vaccine candidate and a research tool for potential biosafety level-2 use.

Abstract The emergence of novel SARS-CoV-2 lineages that are more transmissible and resistant to currently approved antibody therapies poses a considerable challenge to the clinical treatment of COVID-19. Therefore, the need for ongoing discovery efforts to identify broadly reactive monoclonal antibodies to SARS-CoV-2 is of utmost importance. Here, we report a panel of SARS-CoV-2 antibodies isolated using the LIBRA-seq technology from an individual who recovered from COVID-19. Of these antibodies, 54042-4 showed potent neutralization against authentic SARS-CoV-2 viruses, including variants of concern (VOCs). A cryo-EM structure of 54042-4 in complex with the SARS-CoV-2 spike revealed an epitope composed of residues that are highly conserved in currently circulating SARS-CoV-2 lineages. Further, 54042-4 possesses unique genetic and structural characteristics that distinguish it from other potently neutralizing SARS-CoV-2 antibodies. Together, these findings motivate 54042-4 as a lead candidate for clinical development to counteract current and future SARS-CoV-2 VOCs.

SUMMARY The development of effective countermeasures against Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 (SARS-CoV-2), the agent responsible for the COVID-19 pandemic, is a priority. We designed and produced ConVac, a replication-competent vesicular stomatitis virus (VSV) vaccine vector that expresses the S1 subunit of SARS-CoV-2 spike protein. We used golden Syrian hamsters as animal model of severe COVID-19 to test the efficacy of the ConVac vaccine. A single vaccine dose elicited high levels of SARS-CoV-2 specific binding and neutralizing antibodies; following intranasal challenge with SARS-CoV-2, animals were protected from weight loss and viral replication in the lungs. No enhanced pathology was observed in vaccinated animals upon challenge, but some inflammation was still detected. The data indicate rapid control of SARS-CoV-2 replication by the S1-based VSV-vectored SARS-CoV-2 ConVac vaccine.

SUMMARY/ABSTRACT Three coronaviruses have spilled over from animal reservoirs into the human population and caused deadly epidemics or pandemics. The continued emergence of coronaviruses highlights the need for pan-coronavirus interventions for effective pandemic preparedness. Here, using LIBRA-seq, we report a panel of 50 coronavirus antibodies isolated from human B cells. Of these antibodies, 54043-5 was shown to bind the S2 subunit of spike proteins from alpha-, beta-, and deltacoronaviruses. A cryo-EM structure of 54043-5 bound to the pre-fusion S2 subunit of the SARS-CoV-2 spike defined an epitope at the apex of S2 that is highly conserved among betacoronaviruses. Although non-neutralizing, 54043-5 induced Fc-dependent antiviral responses, including ADCC and ADCP. In murine SARS-CoV-2 challenge studies, protection against disease was observed after introduction of Leu234Ala, Leu235Ala, and Pro329Gly (LALA-PG) substitutions in the Fc region of 54043-5. Together, these data provide new insights into the protective mechanisms of non-neutralizing antibodies and define a broadly conserved epitope within the S2 subunit.

The continued emergence of deadly human coronaviruses from animal reservoirs highlights the need for pan-coronavirus interventions for effective pandemic preparedness. Here, using linking B cell receptor to antigen specificity through sequencing (LIBRA-seq), we report a panel of 50 coronavirus antibodies isolated from human B cells. Of these, 54043-5 was shown to bind the S2 subunit of spike proteins from alpha-, beta-, and deltacoronaviruses. A cryoelectron microscopy (cryo-EM) structure of 54043-5 bound to the prefusion S2 subunit of the severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) spike defined an epitope at the apex of S2 that is highly conserved among betacoronaviruses. Although non-neutralizing, 54043-5 induced Fc-dependent antiviral responses in vitro, including antibody-dependent cellular cytotoxicity (ADCC) and antibody-dependent cellular phagocytosis (ADCP). In murine SARS-CoV-2 challenge studies, protection against disease was observed after introduction of Leu234Ala, Leu235Ala, and Pro329Gly (LALA-PG) substitutions in the Fc region of 54043-5. Together, these data provide new insights into the protective mechanisms of non-neutralizing antibodies and define a broadly conserved epitope within the S2 subunit.

ABSTRACT Several SARS-CoV-2 proteins have been shown to counteract the host innate immune response, mostly using in vitro protein expression, which may not fully reflect their role in the context of viral infection. In addition, while each viral protein was characterized in a different experimental system, their relative contribution in immunosuppression remains unclear. Here we used a SARS-CoV-2 bacterial artificial chromosome with en passant mutagenesis to recover a panel of twelve infectious recombinant SARS-CoV-2 viruses, each with mutations in either NSP1, NSP2, NSP3, NSP6, NSP12, NSP13, NSP14, NSP15, NSP16, ORF3a, ORF6 or ORF8. We used the interferon-stimulated response element (ISRE)-driven luciferase assay in 293T-ACE2/TMPRSS2 cells to test the panel, demonstrating that mutations in many proteins, especially in NSP1 and NSP15, increased the type I interferon response relative to the parental wild-type virus. RNA-seq analysis of mutant-virus infected Calu-3 cells showed that the mutations in NSP1 or NSP15 lead to higher expression of multiple genes involved in innate immune response, cytokine-mediated signaling and regulation of lymphocyte proliferation. Furthermore, mutations in either NSP1 or NSP15 resulted in a greater maturation of human monocyte-derived dendritic cells in vitro . Infection of K18 hACE2 transgenic mice with either NSP1 or NSP15 mutated viruses demonstrated attentuated respiratory tract replication. Analysis of lung immune cells from infected mice by single-cell RNA-seq identified 15 populations of major myeloid and lymphoid cells with changes in the pattern of their activation associated with viral infection. The effects of mutations in NSP1 or NSP15 on these responses are consistent with differences in the immunosuppressive mechanisms utilized by the two proteins. Overall, these data demonstrate different and redundant mechanisms of innate immune antagonism by SARS-CoV-2 and suppression of activation of antigen presenting cells and T and B lymphocytes mediated by multiple viral proteins. AUTHOR SUMMARY The mechanisms by which SARS-CoV-2 and its proteins modulate host immunity, specifically the interferon response, are still not clear. We generated twelve infectious SARS-CoV-2 viruses with mutations in individual proteins and demonstrated that many of them have interferon-antagonizing activity and immunosuppressive effects in human cells and in the K18 hACE mouse model of infection. We idemtified distinct and redundant mechanisms of immunosuppression of SARS-CoV-2 mediated by multiple individual viral proteins, with 9 out of the 12 tested proteins showing some immunosuppressive effect in at least one experimental system. The demonstrated immunosuppressive effects extend from the innate response to immune cells to pathologic changes in vivo . Importantly, this work shows, for the first time, a comparison of the effects of multiple viral proteins in the context of authentic viral infection, rather than in a surrogate system, and shows the relative contribution of each viral protein under identical experimental conditions. Overall, our data indicates that SARS-CoV-2 antagonizes multiple immune mechanisms, particularly type I interferon signaling, activation of innate immune cells and T and B lymphocyte functions with the greatest effects due to NSP1 and NSP15.