An ideal therapeutic anti-SARS-CoV-2 antibody would resist viral escape1–3, have activity against diverse sarbecoviruses4–7, and be highly protective through viral neutralization8–11 and effector functions12,13. Understanding how these properties relate to each other and vary across epitopes would aid the development of therapeutic antibodies and guide vaccine design. Here we comprehensively characterize escape, breadth and potency across a panel of SARS-CoV-2 antibodies targeting the receptor-binding domain (RBD). Despite a trade-off between in vitro neutralization potency and breadth of sarbecovirus binding, we identify neutralizing antibodies with exceptional sarbecovirus breadth and a corresponding resistance to SARS-CoV-2 escape. One of these antibodies, S2H97, binds with high affinity across all sarbecovirus clades to a cryptic epitope and prophylactically protects hamsters from viral challenge. Antibodies that target the angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) receptor-binding motif (RBM) typically have poor breadth and are readily escaped by mutations despite high neutralization potency. Nevertheless, we also characterize a potent RBM antibody (S2E128) with breadth across sarbecoviruses related to SARS-CoV-2 and a high barrier to viral escape. These data highlight principles underlying variation in escape, breadth and potency among antibodies that target the RBD, and identify epitopes and features to prioritize for therapeutic development against the current and potential future pandemics. A survey of SARS-CoV-2 RBD antibodies identifies those with activity against diverse SARS-CoV-2 variants and SARS-related coronaviruses, highlighting epitopes and features to prioritize in antibody and vaccine development.

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.

An ideal anti-SARS-CoV-2 antibody would resist viral escape

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.