SARS-CoV-2 evolution threatens vaccine- and natural infection–derived immunity and the efficacy of therapeutic antibodies. To improve public health preparedness, we sought to predict which existing amino acid mutations in SARS-CoV-2 might contribute to future variants of concern. We tested the predictive value of features comprising epidemiology, evolution, immunology, and neural network–based protein sequence modeling and identified primary biological drivers of SARS-CoV-2 intrapandemic evolution. We found evidence that ACE2-mediated transmissibility and resistance to population-level host immunity has waxed and waned as a primary driver of SARS-CoV-2 evolution over time. We retroactively identified with high accuracy (area under the receiver operator characteristic curve = 0.92 to 0.97) mutations that will spread, at up to 4 months in advance, across different phases of the pandemic. The behavior of the model was consistent with a plausible causal structure where epidemiological covariates combine the effects of diverse and shifting drivers of viral fitness. We applied our model to forecast mutations that will spread in the future and characterize how these mutations affect the binding of therapeutic antibodies. These findings demonstrate that it is possible to forecast the driver mutations that could appear in emerging SARS-CoV-2 variants of concern. We validated this result against Omicron, showing elevated predictive scores for its component mutations before emergence and rapid score increase across daily forecasts during emergence. This modeling approach may be applied to any rapidly evolving pathogens with sufficiently dense genomic surveillance data, such as influenza, and unknown future pandemic viruses.

The recent emergence of SARS-CoV-2 variants of concern (VOC) and the recurrent spillovers of coronaviruses in the human population highlight the need for broadly neutralizing antibodies that are not affected by the ongoing antigenic drift and that can prevent or treat future zoonotic infections. Here, we describe a human monoclonal antibody (mAb), designated S2×259, recognizing a highly conserved cryptic receptor-binding domain (RBD) epitope and cross-reacting with spikes from all sarbecovirus clades. S2×259 broadly neutralizes spike-mediated entry of SARS-CoV-2 including the B.1.1.7, B.1.351, P.1 and B.1.427/B.1.429 VOC, as well as a wide spectrum of human and zoonotic sarbecoviruses through inhibition of ACE2 binding to the RBD. Furthermore, deep-mutational scanning and in vitro escape selection experiments demonstrate that S2×259 possesses a remarkably high barrier to the emergence of resistance mutants. We show that prophylactic administration of S2×259 protects Syrian hamsters against challenges with the prototypic SARS-CoV-2 and the B.1.351 variant, suggesting this mAb is a promising candidate for the prevention and treatment of emergent VOC and zoonotic infections. Our data unveil a key antigenic site targeted by broadly-neutralizing antibodies and will guide the design of pan-sarbecovirus vaccines.

The repeated spillovers of β-coronaviruses in humans along with the rapid emergence of SARS-CoV-2 escape variants highlight the need to develop broad coronavirus therapeutics and vaccines. Five monoclonal antibodies (mAbs) were isolated from COVID-19 convalescent individuals and found to cross-react with multiple β-coronavirus spike (S) glycoproteins by targeting the stem helix. One of these mAbs, S2P6, cross-reacts with more than twenty human and animal β-coronavirus S glycoproteins and broadly neutralizes SARS-CoV-2 and pseudotyped viruses from the sarbecovirus, merbecovirus and embecovirus subgenera. Structural and functional studies delineate the molecular basis of S2P6 cross-reactivity and broad neutralization and indicate that this mAb blocks viral entry through inhibition of membrane fusion. S2P6 protects hamsters challenged with SARS-CoV-2 (including the B.1.351 variant of concern) through viral neutralization and Fc-mediated effector functions. Serological and B cell repertoire analyses indicate that antibodies targeting the stem helix are found in some convalescent donors and vaccinees but are predominantly of narrow specificity. Germline reversion of the identified cross-reactive mAbs revealed that their unmutated ancestors are specific for the endemic OC43 or HKU1 viruses and acquired enhanced affinity and breadth through somatic mutations. These data demonstrate that conserved epitopes in the coronavirus fusion machinery can be targeted by protective antibodies and provide a framework for structure-guided design of pan-β-coronavirus vaccines eliciting broad protection.

ABSTRACT Large scale efforts to sequence whole human genomes provide extensive data on the non-coding portion of the genome. We used variation information from 11,257 human genomes to describe the spectrum of sequence conservation in the population. We established the genome-wide variability for each nucleotide in the context of the surrounding sequence in order to identify departure from expectation at the population level (context-dependent conservation). We characterized the population diversity for functional elements in the genome and identified the coordination of conserved sequences of distal and cis enhancers, chromatin marks, promoters, coding and intronic regions. The most context-dependent conserved regions of the genome are associated with unique functional annotations and a genomic organization that spreads up to one megabase. Importantly, these regions are enriched by over 100-fold of non-coding pathogenic variants. This analysis of human genetic diversity thus provides a detailed view of sequence conservation, functional constraint and genomic organization of the human genome. Specifically, it identifies highly conserved non-coding sequences that are not captured by analysis of interspecies conservation and are greatly enriched in disease variants.

Memory B cells (MBCs) generate rapid antibody responses upon secondary encounter with a pathogen. Here, we investigated the kinetics, avidity and cross-reactivity of serum antibodies and MBCs in 155 SARS-CoV-2 infected and vaccinated individuals over a 16-month timeframe. SARS-CoV-2-specific MBCs and serum antibodies reached steady-state titers with comparable kinetics in infected and vaccinated individuals. Whereas MBCs of infected individuals targeted both pre- and postfusion Spike (S), most vaccine-elicited MBCs were specific for prefusion S, consistent with the use of prefusion-stabilized S in mRNA vaccines. Furthermore, a large fraction of MBCs recognizing postfusion S cross-reacted with human betacoronaviruses. The avidity of MBC-derived and serum antibodies increased over time resulting in enhanced resilience to viral escape by SARS-CoV-2 variants, including Omicron BA.1 and BA.2 sub-lineages, albeit only partially for BA.4 and BA.5 sublineages. Overall, the maturation of high-affinity and broadly-reactive MBCs provides the basis for effective recall responses to future SARS-CoV-2 variants.

Sequencing projects have identified large numbers of rare stop-gain and frameshift variants in the human genome. As most of these are observed in the heterozygous state, they test a gene?s tolerance to haploinsufficiency and dominant loss of function. We analyzed the distribution of truncating variants across 16,260 protein coding autosomal genes in 11,546 individuals. We observed 39,893 truncating variants affecting 12,062 genes, which significantly differed from an expectation of 12,916 genes under a model of neutral de novo mutation (p<1E-4). Extrapolating this to increasing numbers of sequenced individuals, we estimate that 10.8% of human genes do not tolerate heterozygous truncating variants. An additional 10 to 15% of truncated genes may be rescued by incomplete penetrance or compensatory mutations, or because the truncating variants are of limited functional impact. The study of protein truncating variants delineates the essential genome and, more generally, identifies rare heterozygous variants as an unexplored source of diversity of phenotypic traits and diseases.

Polygenic approaches using genome-wide data have been hugely successful in confirming and quantifying the heritability of complex human traits. Here, we highlight their ability to identify potential novel risk variants by looking for variants with pleiotropic effect in genetically overlapping phenotypes. We used LD Score Regression in a sample of 6,315 HIV+ European individuals and 7,247 controls to test for phenotypes genetically overlapping with susceptibility to HIV-1 infection. Using LD Hub, a web tool that performs LD Score Regression, identified two phenotypes with significant genetic overlap: schizophrenia (rG=0.19, p=0.0007 and ulcerative colitis (rG= 0.22, p= 0.0061). We further showed that the genetic overlap between HIV acquisition and schizophrenia is likely driven in part by their shared overlap with cannabis use and sexual behavior. BUMHBOX analyses suggested that these genetic overlaps were driven by genome-wide pleiotropy with HIV acquisition rather than heterogeneity within the HIV acquisition sample. The two diseases identified as genetically overlapping with HIV-1 acquisition have >100 associated variants, and we tested if any of them significantly associated with HIV acquisition. We observed three variants that exceeded our threshold for statistical significance. Two of these were eQTLs in whole blood for genes coding for proteins suspected to be involved in HIV biology: rs1819333 in CCR6 (p=0.0002) and rs4932178 in FURIN (p=0.00033). However, no signal was found for these variants in two smaller African samples totaling 1015 cases and 963 controls, though the mode of acquisition and genetic architecture of these populations differed. These results highlight the ability to use polygenic methods to gain new insights into complex diseases and identify potential associations with individual variants. Crucially, the leveraging of existing, publically available data makes these methods a cost-effective approach. In this case, our results add to the evidence for the role of risk taking behavior and inflammation of the bowel in HIV acquisition.

Studies of host genetic determinants of pathogen sequence variation can identify sites of genomic conflicts, by highlighting variants that are implicated in immune response on the host side and adaptive escape on the pathogen side. However, systematic genetic differences in host and pathogen populations can lead to inflated type I (false positive) and type II (false negative) error rates in genome-wide association analyses. Here, we demonstrate through simulation that correcting for both host and pathogen stratification reduces spurious signals and increases power to detect real associations in a variety of tested scenarios. We confirm the validity of the simulations by showing comparable results in an analysis of paired human and HIV genomes.

Sequence variation data of the human proteome can be used to analyze 3-dimensional (3D) protein structures to derive functional insights. We used genetic variant data from nearly 150,000 individuals to analyze 3D positional conservation in 4,390 protein structures using 481,708 missense and 264,257 synonymous variants. Sixty percent of protein structures harbor at least one intolerant 3D site as defined by significant depletion of observed over expected missense variation. We established an Angstrom-scale distribution of annotated pathogenic missense variants and showed that they accumulate in proximity to the most intolerant 3D sites. Structural intolerance data correlated with experimental functional read-outs in vitro. The 3D structural intolerance analysis revealed characteristic features of ligand binding pockets, orthosteric and allosteric sites. The identification of novel functional 3D sites based on human genetic data helps to validate, rank or predict drug target binding sites in vivo.

We evaluated the fraction of variation in HIV-1 set point viral load attributable to viral or human genetic factors by using joint host/pathogen genetic data from 541 HIV infected individuals. We show that viral genetic diversity explains 29% of the variation in viral load while host factors explain 8.4%. Using a joint model including both host and viral effects, we estimate a total of 30% heritability, indicating that most of the host effects are reflected in viral sequence variation.