Abstract There is need for effective and affordable vaccines against SARS-CoV-2 to tackle the ongoing pandemic. In this study, we describe a protein nanoparticle vaccine against SARS-CoV-2. The vaccine is based on the display of coronavirus spike glycoprotein receptor-binding domain (RBD) on a synthetic virus-like particle (VLP) platform, SpyCatcher003-mi3, using SpyTag/SpyCatcher technology. Low doses of RBD-SpyVLP in a prime-boost regimen induce a strong neutralising antibody response in mice and pigs that is superior to convalescent human sera. We evaluate antibody quality using ACE2 blocking and neutralisation of cell infection by pseudovirus or wild-type SARS-CoV-2. Using competition assays with a monoclonal antibody panel, we show that RBD-SpyVLP induces a polyclonal antibody response that recognises key epitopes on the RBD, reducing the likelihood of selecting neutralisation-escape mutants. Moreover, RBD-SpyVLP is thermostable and can be lyophilised without losing immunogenicity, to facilitate global distribution and reduce cold-chain dependence. The data suggests that RBD-SpyVLP provides strong potential to address clinical and logistic challenges of the COVID-19 pandemic.

SARS Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) emerged in late 2019, leading to the Coronavirus Disease 2019 (COVID-19) pandemic that continues to cause significant global mortality in human populations. Given its sequence similarity to SARS-CoV, as well as related coronaviruses circulating in bats, SARS-CoV-2 is thought to have originated in Chiroptera species in China. However, whether the virus spread directly to humans or through an intermediate host is currently unclear, as is the potential for this virus to infect companion animals, livestock, and wildlife that could act as viral reservoirs. Using a combination of surrogate entry assays and live virus, we demonstrate that, in addition to human angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2), the Spike glycoprotein of SARS-CoV-2 has a broad host tropism for mammalian ACE2 receptors, despite divergence in the amino acids at the Spike receptor binding site on these proteins. Of the 22 different hosts we investigated, ACE2 proteins from dog, cat, and cattle were the most permissive to SARS-CoV-2, while bat and bird ACE2 proteins were the least efficiently used receptors. The absence of a significant tropism for any of the 3 genetically distinct bat ACE2 proteins we examined indicates that SARS-CoV-2 receptor usage likely shifted during zoonotic transmission from bats into people, possibly in an intermediate reservoir. Comparison of SARS-CoV-2 receptor usage to the related coronaviruses SARS-CoV and RaTG13 identified distinct tropisms, with the 2 human viruses being more closely aligned. Finally, using bioinformatics, structural data, and targeted mutagenesis, we identified amino acid residues within the Spike–ACE2 interface, which may have played a pivotal role in the emergence of SARS-CoV-2 in humans. The apparently broad tropism of SARS-CoV-2 at the point of viral entry confirms the potential risk of infection to a wide range of companion animals, livestock, and wildlife.

ABSTRACT There is dire need for an effective and affordable vaccine against SARS-CoV-2 to tackle the ongoing pandemic. In this study, we describe a modular virus-like particle vaccine candidate displaying the SARS-CoV-2 spike glycoprotein receptor-binding domain (RBD) using SpyTag/SpyCatcher technology (RBD-SpyVLP). Low doses of RBD-SpyVLP in a prime-boost regimen induced a strong neutralising antibody response in mice and pigs that was superior to convalescent human sera. We evaluated antibody quality using ACE2 blocking and neutralisation of cell infection by pseudovirus or wild-type SARS-CoV-2. Using competition assays with a monoclonal antibody panel, we showed that RBD-SpyVLP induced a polyclonal antibody response that recognised all key epitopes on the RBD, reducing the likelihood of selecting neutralisation-escape mutants. The induction of potent and polyclonal antibody responses by RBD-SpyVLP provides strong potential to address clinical and logistic challenges of the COVID-19 pandemic. Moreover, RBD-SpyVLP is highly resilient, thermostable and can be lyophilised without losing immunogenicity, to facilitate global distribution and reduce cold-chain dependence.

Abstract SARS-CoV-2 emerged in late 2019, leading to the COVID-19 pandemic that continues to cause significant global mortality in human populations. Given its sequence similarity to SARS-CoV, as well as related coronaviruses circulating in bats, SARS-CoV-2 is thought to have originated in Chiroptera species in China. However, whether the virus spread directly to humans or through an intermediate host is currently unclear, as is the potential for this virus to infect companion animals, livestock and wildlife that could act as viral reservoirs. Using a combination of surrogate entry assays and live virus we demonstrate that, in addition to human ACE2, the Spike glycoprotein of SARS-CoV-2 has a broad host tropism for mammalian ACE2 receptors, despite divergence in the amino acids at the Spike receptor binding site on these proteins. Of the twenty-two different hosts we investigated, ACE2 proteins from dog, cat and rabbit were the most permissive to SARS-CoV-2, while bat and bird ACE2 proteins were the least efficiently used receptors. The absence of a significant tropism for any of the three genetically distinct bat ACE2 proteins we examined indicates that SARS-CoV-2 receptor usage likely shifted during zoonotic transmission from bats into people, possibly in an intermediate reservoir. Interestingly, while SARS-CoV-2 pseudoparticle entry was inefficient in cells bearing the ACE2 receptor from bats or birds the live virus was still able to enter these cells, albeit with markedly lower efficiency. The apparently broad tropism of SARS-CoV-2 at the point of viral entry confirms the potential risk of infection to a wide range of companion animals, livestock and wildlife.