Seeking broad protection As scientists develop therapeutic antibodies and vaccines against severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), the risk of emergent coronaviruses makes it important to also identify broadly protective antibodies. Wec et al. isolated and characterized hundreds of antibodies against the viral spike protein of SARS-CoV-2 from the memory B cells of a survivor of the 2003 outbreak caused by the related coronavirus, SARS-CoV. In both of these viruses, the spike protein facilitated viral entry by binding to the angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) receptor on human cells. The antibodies targeted multiple sites on the spike protein, but of nine antibodies that showed strong cross-neutralization, eight targeted the domain that binds to ACE2. These eight antibodies also neutralized a bat SARS-related virus. Illuminating the epitopes on the viral spike protein that bind cross-neutralizing antibodies could guide the design of broadly protective vaccines. Science , this issue p. 731

Coronavirus disease 2019 (

Summary There is an urgent need for vaccines and therapeutics to prevent and treat COVID-19. Rapid SARS-CoV-2 countermeasure development is contingent on the availability of robust, scalable, and readily deployable surrogate viral assays to screen antiviral humoral responses, and define correlates of immune protection, and to down-select candidate antivirals. Here, we describe a highly infectious recombinant vesicular stomatitis virus bearing the SARS-CoV-2 spike glycoprotein S as its sole entry glycoprotein that closely resembles the authentic agent in its entry-related properties. We show that the neutralizing activities of a large panel of COVID-19 convalescent sera can be assessed in high-throughput fluorescent reporter assay with rVSV-SARS-CoV-2 S and that neutralization of the rVSV and authentic SARS-CoV-2 by spike-specific antibodies in these antisera is highly correlated. Our findings underscore the utility of rVSV-SARS-CoV-2 S for the development of spike-specific vaccines and therapeutics and for mechanistic studies of viral entry and its inhibition.

Abstract Most known SARS-CoV-2 neutralizing antibodies (nAbs), including those approved by the FDA for emergency use, inhibit viral infection by targeting the receptor-binding domain (RBD) of the spike (S) protein. Variants of concern (VOC) carrying mutations in the RBD or other regions of S reduce the effectiveness of many nAbs and vaccines by evading neutralization. Therefore, therapies that are less susceptible to resistance are urgently needed. Here, we characterized the memory B-cell repertoire of COVID-19 convalescent donors and analyzed their RBD and non-RBD nAbs. We found that many of the non-RBD-targeting nAbs were specific to the N-terminal domain (NTD). Using neutralization assays with authentic SARS-CoV-2 and a recombinant vesicular stomatitis virus carrying SARS-CoV-2 S protein (rVSV-SARS2), we defined a panel of potent RBD and NTD nAbs. Next, we used a combination of neutralization-escape rVSV-SARS2 mutants and a yeast display library of RBD mutants to map their epitopes. The most potent RBD nAb competed with hACE2 binding and targeted an epitope that includes residue F490. The most potent NTD nAb epitope included Y145, K150 and W152. As seen with some of the natural VOC, the neutralization potencies of COVID-19 convalescent sera were reduced by 4-16-fold against rVSV-SARS2 bearing Y145D, K150E or W152R spike mutations. Moreover, we found that combining RBD and NTD nAbs modestly enhanced their neutralization potential. Notably, the same combination of RBD and NTD nAbs limited the development of neutralization-escape mutants in vitro , suggesting such a strategy may have higher efficacy and utility for mitigating the emergence of VOC. Importance The US FDA has issued emergency use authorizations (EUAs) for multiple investigational monoclonal antibody (mAb) therapies for the treatment of mild to moderate COVID-19. These mAb therapeutics are solely targeting the receptor binding domain of the SARS-CoV-2 spike protein. However, the N-terminal domain of the spike protein also carries crucial neutralizing epitopes. Here, we show that key mutations in the N-terminal domain can reduce the neutralizing capacity of convalescent COVID-19 sera. We report that a combination of two neutralizing antibodies targeting the receptor binding and N-terminal domains may have higher efficacy and is beneficial to combat the emergence of virus variants.

Abstract Bacterial biofilms are major contributors to chronic infections in humans. Because they are recalcitrant to conventional therapy, they present a particularly difficult treatment challenge. Identifying factors involved in biofilm development can help uncover novel targets and guide the development of anti-biofilm strategies. Pseudomonas aeruginosa causes surgical site, burn wound, and hospital acquired infections, and is also associated with aggressive biofilm formation in the lungs of cystic fibrosis patients. A potent but poorly understood contributor to P. aeruginosa virulence is the ability to produce outer membrane vesicles (OMVs). OMV trafficking has been associated with cell-to-cell communication, virulence factor delivery, and the transfer of antibiotic resistance genes. Because OMVs have almost exclusively been studied using planktonic cultures, little is known about their biogenesis and function in biofilms. Our group has shown that the Pseudomonas Quinolone Signal (PQS) induces OMV formation in P. aeruginosa , and in other species, through a biophysical mechanism that is also active in biofilms. Here, we demonstrate that PQS-induced OMV production is highly dynamic during biofilm development. Interestingly, PQS and OMV synthesis are significantly elevated during dispersion, compared to attachment and maturation stages. PQS biosynthetic and receptor mutant biofilms were significantly impaired in their ability to disperse, but this phenotype could be rescued by genetic complementation or exogenous addition of PQS. Finally, we show that purified OMVs can actively degrade extracellular protein, lipid, and DNA. We therefore propose that enhanced production of PQS-induced OMVs during biofilm dispersion facilitates cell escape by coordinating the controlled degradation of biofilm matrix components. Importance Treatments that manipulate biofilm dispersion hold the potential to convert chronic drug-tolerant biofilm infections from protected sessile communities into released populations that are orders-of-magnitude more susceptible to antimicrobial treatment. However, dispersed cells often exhibit increased acute virulence and dissemination phenotypes. A thorough understanding of the dispersion process is therefore critical before this promising strategy can be effectively employed. PQS has been implicated in early biofilm development, but we hypothesized that its function as an OMV inducer may contribute at multiple stages. Here, we demonstrate that PQS and OMVs are differentially produced during Pseudomonas aeruginosa biofilm development and that effective biofilm dispersion is dependent on production of PQS-induced OMVs, which likely act as delivery vehicles for matrix degrading enzymes. These findings lay the groundwork for understanding the roles of OMVs in biofilm development and suggest a model to explain the controlled matrix degradation that accompanies biofilm dispersion in many species.

Abstract SARS-CoV-2-contributes to sickness and death in COVID-19 patients partly by inducing a hyper-proinflammatory immune response in the host airway. This hyper-proinflammatory state involves activation of signaling by NFκB, and unexpectedly, ENaC, the epithelial sodium channel. Post-infection inflammation may also contribute to "Long COVID"/PASC. Enhanced signaling by NFκB and ENaC also marks the airway of patients suffering from cystic fibrosis, a life-limiting proinflammatory genetic disease due to inactivating mutations in the CFTR gene. We therefore hypothesized that inflammation in the COVID-19 airway might similarly be due to inhibition of CFTR signaling by SARS-CoV-2 spike protein, and therefore activation of both NFκB and ENaC signaling. We used western blot and electrophysiological techniques, and an organoid model of normal airway epithelia, differentiated on an air–liquid-interface (ALI). We found that CFTR protein expression and CFTR cAMP-activated chloride channel activity were lost when the model epithelium was exposed to SARS-CoV-2 spike proteins. As hypothesized, the absence of CFTR led to activation of both TNFα/NFκB signaling and α and γ ENaC. We had previously shown that the cardiac glycoside drugs digoxin, digitoxin and ouabain blocked interaction of spike protein and ACE2. Consistently, addition of 30 nM concentrations of the cardiac glycoside drugs, prevented loss of both CFTR protein and CFTR channel activity. ACE2 and CFTR were found to co-immunoprecipitate in both basal cells and differentiated epithelia. Thus spike-dependent CFTR loss might involve ACE2 as a bridge between Spike and CFTR. In addition, spike exposure to the epithelia resulted in failure of endosomal recycling to return CFTR to the plasma membrane. Thus, failure of CFTR recovery from endosomal recycling might be a mechanism for spike-dependent loss of CFTR. Finally, we found that authentic SARS-CoV-2 virus infection induced loss of CFTR protein, which was rescued by the cardiac glycoside drugs digitoxin and ouabain. Based on experiments with this organoid model of small airway epithelia, and comparisons with 16HBE14o- and other cell types expressing normal CFTR, we predict that inflammation in the COVID-19 airway may be mediated by inhibition of CFTR signaling by the SARS-CoV-2 spike protein, thus inducing a cystic fibrosis-like clinical phenotype. To our knowledge this is the first time COVID-19 airway inflammation has been experimentally traced in normal subjects to a contribution from SARS-CoV-2 spike-dependent inhibition of CFTR signaling.

Broadly protective vaccines against known and pre-emergent coronaviruses are urgently needed. Critical to their development is a deeper understanding of cross-neutralizing antibody responses induced by natural human coronavirus (HCoV) infections. Here, we mined the memory B cell repertoire of a convalescent SARS donor and identified 200 SARS-CoV-2 binding antibodies that target multiple conserved sites on the spike (S) protein. A large proportion of the antibodies display high levels of somatic hypermutation and cross-react with circulating HCoVs, suggesting recall of pre-existing memory B cells (MBCs) elicited by prior HCoV infections. Several antibodies potently cross-neutralize SARS-CoV, SARS-CoV-2, and the bat SARS-like virus WIV1 by blocking receptor attachment and inducing S1 shedding. These antibodies represent promising candidates for therapeutic intervention and reveal a new target for the rational design of pan-sarbecovirus vaccines.