The emergence of SARS-CoV-2 has resulted in a worldwide pandemic causing significant damage to public health and the economy. Efforts to understand the mechanisms of COVID-19 disease have been hampered by the lack of robust mouse models. To overcome this barrier, we utilized a reverse genetic system to generate a mouse-adapted strain of SARS-CoV-2. Incorporating key mutations found in SARSCoV-2 variants, this model recapitulates critical elements of human infection including viral replication in the lung, immune cell infiltration, and significant in vivo disease. Importantly, mouse-adaptation of SARS-CoV-2 does not impair replication in human airway cells and maintains antigenicity similar to human SARS-CoV-2 strains. Utilizing this model, we demonstrate that SARS-CoV-2 infected mice are protected from lethal challenge with the original SARS-CoV, suggesting immunity from heterologous CoV strains. Together, the results highlight the utility of this mouse model for further study of SARS-CoV-2 infection and disease.

Infection with SARS-CoV-2 has caused a pandemic of unprecedented dimensions. SARS-CoV-2 infects airway and lung cells causing viral pneumonia. The importance of type I interferon (IFN) production for the control of SARS-CoV-2 infection is highlighted by the increased severity of COVID-19 in patients with inborn errors of type I IFN response or auto-antibodies against IFN-α. Plasmacytoid dendritic cells (pDCs) are a unique immune cell population specialized in recognizing and controlling viral infections through the production of high concentrations of type I IFN. In this study, we isolated pDCs from healthy donors and showed that pDCs are able to recognize SARS-CoV-2 and rapidly produce large amounts of type I IFN. Sensing of SARS-CoV-2 by pDCs was independent of viral replication since pDCs were also able to recognize UV-inactivated SARS-CoV-2 and produce type I IFN. Transcriptional profiling of SARS-CoV-2 and UV-SARS-CoV-2 stimulated pDCs also showed a rapid type I and III IFN response as well as induction of several chemokines, and the induction of apoptosis in pDCs. Moreover, we modeled SARS-CoV-2 infection in the lung using primary human airway epithelial cells (pHAEs) and showed that co-culture of pDCs with SARS-CoV-2 infected pHAEs induces an antiviral response and upregulation of antigen presentation in pHAE cells. Importantly, the presence of pDCs in the co-culture results in control of SARS-CoV-2 replication in pHAEs. Our study identifies pDCs as one of the key cells that can recognize SARS-CoV-2 infection, produce type I and III IFN and control viral replication in infected cells.Type I interferons (IFNs) are a major part of the innate immune defense against viral infections. The importance of type I interferon (IFN) production for the control of SARS-CoV-2 infection is highlighted by the increased severity of COVID-19 in patients with defects in the type I IFN response. Interestingly, many cells are not able to produce type I IFN after being infected with SARS-CoV-2 and cannot control viral infection. In this study we show that plasmacytoid dendritic cells are able to recognize SARS-CoV-2 and produce type I IFN, and that pDCs are able to help control viral infection in SARS-CoV-2 infected airway epithelial cells.

Abstract The development of the highly efficacious mRNA vaccines in less than a year since the emergence of SARS-CoV-2 represents a landmark in vaccinology. However, reports of waning vaccine efficacy, coupled with the emergence of variants of concern that are resistant to antibody neutralization, have raised concerns about the potential lack of durability of immunity to vaccination. We recently reported findings from a comprehensive analysis of innate and adaptive immune responses in 56 healthy volunteers who received two doses of the BNT162b2 vaccination. Here, we analyzed antibody responses to the homologous Wu strain as well as several variants of concern, including the emerging Mu (B.1.621) variant, and T cell responses in a subset of these volunteers at six months (day 210 post-primary vaccination) after the second dose. Our data demonstrate a substantial waning of antibody responses and T cell immunity to SARS-CoV-2 and its variants, at 6 months following the second immunization with the BNT162b2 vaccine. Notably, a significant proportion of vaccinees have neutralizing titers below the detection limit, and suggest a 3 rd booster immunization might be warranted to enhance the antibody titers and T cell responses.

mRNA-1273 vaccine efficacy against SARS-CoV-2 Delta wanes over time; however, there are limited data on the impact of durability of immune responses on protection. We immunized rhesus macaques at weeks 0 and 4 and assessed immune responses over one year in blood, upper and lower airways. Serum neutralizing titers to Delta were 280 and 34 reciprocal ID 50 at weeks 6 (peak) and 48 (challenge), respectively. Antibody binding titers also decreased in bronchoalveolar lavage (BAL). Four days after challenge, virus was unculturable in BAL and subgenomic RNA declined ∼3-log 10 compared to control animals. In nasal swabs, sgRNA declined 1-log 10 and virus remained culturable. Anamnestic antibody responses (590-fold increase) but not T cell responses were detected in BAL by day 4 post-challenge. mRNA-1273-mediated protection in the lungs is durable but delayed and potentially dependent on anamnestic antibody responses. Rapid and sustained protection in upper and lower airways may eventually require a boost.

Abstract The SARS-CoV-2 BA.1 and BA.2 (Omicron) variants contain more than 30 mutations within the spike protein and evade therapeutic monoclonal antibodies (mAbs). Here, we report a receptor-binding domain (RBD) targeting human antibody (002-S21F2) that effectively neutralizes live viral isolates of SARS-CoV-2 variants of concern (VOCs) including Alpha, Beta, Gamma, Delta, and Omicron (BA.1 and BA.2) with IC50 ranging from 0.02 – 0.05 μg/ml. This near germline antibody 002-S21F2 has unique genetic features that are distinct from any reported SARS-CoV-2 mAbs. Structural studies of the full-length IgG in complex with spike trimers (Omicron and WA.1) reveal that 002-S21F2 recognizes an epitope on the outer face of RBD (class-3 surface), outside the ACE2 binding motif and its unique molecular features enable it to overcome mutations found in the Omicron variants. The discovery and comprehensive structural analysis of 002-S21F2 provide valuable insight for broad and potent neutralization of SARS-CoV-2 Omicron variants BA.1 and BA.2.

A detailed understanding of the molecular features of the neutralizing epitopes developed by viral escape mutants is important for predicting and developing vaccines or therapeutic antibodies against continuously emerging SARS-CoV-2 variants. Here, we report three human monoclonal antibodies (mAbs) generated from COVID-19 recovered individuals during first wave of pandemic in India. These mAbs had publicly shared near germline gene usage and potently neutralized Alpha and Delta, but poorly neutralized Beta and completely failed to neutralize Omicron BA.1 SARS-CoV-2 variants. Structural analysis of these three mAbs in complex with trimeric spike protein showed that all three mAbs are involved in bivalent spike binding with two mAbs targeting class-1 and one targeting class-4 Receptor Binding Domain (RBD) epitope. Comparison of immunogenetic makeup, structure, and function of these three mAbs with our recently reported class-3 RBD binding mAb that potently neutralized all SARS-CoV-2 variants revealed precise antibody footprint, specific molecular interactions associated with the most potent multi-variant binding / neutralization efficacy. This knowledge has timely significance for understanding how a combination of certain mutations affect the binding or neutralization of an antibody and thus have implications for predicting structural features of emerging SARS-CoV-2 escape variants and to develop vaccines or therapeutic antibodies against these.

The antigenic evolution of SARS-CoV-2 requires ongoing monitoring to judge the immune escape of newly arising variants. A surveillance system necessitates an understanding of differences in neutralization titers measured in different assays and using human and animal sera. We compared 18 datasets generated using human, hamster, and mouse sera, and six different neutralization assays. Titer magnitude was lowest in human, intermediate in hamster, and highest in mouse sera. Fold change, immunodominance patterns and antigenic maps were similar among sera. Most assays yielded similar results, except for differences in fold change in cytopathic effect assays. Not enough data was available for conclusively judging mouse sera, but hamster sera were a consistent surrogate for human first-infection sera.

SUMMARY The severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) spike (S) protein mediates infection of cells expressing angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2). ACE2 is also the viral receptor of SARS-CoV (SARS-CoV-1), a related coronavirus that emerged in 2002-2003. Horseshoe bats (genus Rhinolophus ) are presumed to be the original reservoir of both viruses, and a SARS-like coronavirus, RaTG13, closely related SARS-CoV-2, has been isolated from one horseshoe-bat species. Here we characterize the ability of S-protein receptor-binding domains (RBDs) of SARS-CoV-1, SARS-CoV-2, and RaTG13 to bind a range of ACE2 orthologs. We observed that the SARS-CoV-2 RBD bound human, pangolin, and horseshoe bat ( R. macrotis) ACE2 more efficiently than the SARS-CoV-1 or RaTG13 RBD. Only the RaTG13 RBD bound rodent ACE2 orthologs efficiently. Five mutations drawn from ACE2 orthologs of nine Rhinolophus species enhanced human ACE2 binding to the SARS-CoV-2 RBD and neutralization of SARS-CoV-2 by an immunoadhesin form of human ACE2 (ACE2-Fc). Two of these mutations impaired neutralization of SARS-CoV-1. An ACE2-Fc variant bearing all five mutations neutralized SARS-CoV-2 five-fold more efficiently than human ACE2-Fc. These data narrow the potential SARS-CoV-2 reservoir, suggest that SARS-CoV-1 and -2 originate from distinct bat species, and identify a more potently neutralizing form of ACE2-Fc.