SUMMARY Defining long-term protective immunity to SARS-CoV-2 is one of the most pressing questions of our time and will require a detailed understanding of potential ways this virus can evolve to escape immune protection. Immune protection will most likely be mediated by antibodies that bind to the viral entry protein, Spike (S). Here we used Phage-DMS, an approach that comprehensively interrogates the effect of all possible mutations on binding to a protein of interest, to define the profile of antibody escape to the SARS-CoV-2 S protein using COVID-19 convalescent plasma. Antibody binding was common in two regions: the fusion peptide and linker region upstream of the heptad repeat region 2. However, escape mutations were variable within these immunodominant regions. There was also individual variation in less commonly targeted epitopes. This study provides a granular view of potential antibody escape pathways and suggests there will be individual variation in antibody-mediated virus evolution.

The antiviral benefit of antibodies can be compromised by viral escape especially for rapidly evolving viruses. Therefore, durable, effective antibodies must be both broad and potent to counter newly emerging, diverse strains. Discovery of such antibodies is critically important for SARS-CoV-2 as the global emergence of new variants of concern (VOC) has compromised the efficacy of therapeutic antibodies and vaccines. We describe a collection of broad and potent neutralizing monoclonal antibodies (mAbs) isolated from an individual who experienced a breakthrough infection with the Delta VOC. Four mAbs potently neutralize the Wuhan-Hu-1 vaccine strain, the Delta VOC, and also retain potency against the Omicron VOCs through BA.4/BA.5 in both pseudovirus-based and authentic virus assays. Three mAbs also retain potency to recently circulating VOCs XBB.1.5 and BQ.1.1 and one also potently neutralizes SARS-CoV-1. The potency of these mAbs was greater against Omicron VOCs than all but one of the mAbs that had been approved for therapeutic applications. The mAbs target distinct epitopes on the spike glycoprotein, three in the receptor binding domain (RBD) and one in an invariant region downstream of the RBD in subdomain 1 (SD1). The escape pathways we defined at single amino acid resolution with deep mutational scanning show they target conserved, functionally constrained regions of the glycoprotein, suggesting escape could incur a fitness cost. Overall, these mAbs are novel in their breadth across VOCs, their epitope specificity, and include a highly potent mAb targeting a rare epitope outside of the RBD in SD1.

Pre-existing antibodies that bind endemic human coronaviruses (eHCoVs) can cross-react with SARS-CoV-2, the betacoronavirus that causes COVID-19, but whether these responses influence SARS-CoV-2 infection is still under investigation and is particularly understudied in infants. In this study, we measured eHCoV and SARS-CoV-1 IgG antibody titers before and after SARS-CoV-2 seroconversion in a cohort of Kenyan women and their infants. Pre-existing eHCoV antibody binding titers were not consistently associated with SARS-CoV-2 seroconversion in infants or mothers, though we observed a very modest association between pre-existing HCoV-229E antibody levels and lack of SARS-CoV-2 seroconversion in infants. After seroconversion to SARS-CoV-2, antibody binding titers to endemic betacoronaviruses HCoV-OC43 and HCoV-HKU1, and the highly pathogenic betacoronavirus SARS-CoV-1, but not endemic alphacoronaviruses HCoV-229E and HCoV-NL63, increased in mothers. However, eHCoV antibody levels did not increase following SARS-CoV-2 seroconversion in infants, suggesting the increase seen in mothers was not simply due to cross-reactivity to naively generated SARS-CoV-2 antibodies. In contrast, the levels of antibodies that could bind SARS-CoV-1 increased after SARS-CoV-2 seroconversion in both mothers and infants, both of whom are unlikely to have had a prior SARS-CoV-1 infection, supporting prior findings that SARS-CoV-2 responses cross-react with SARS-CoV-1. In summary, we find evidence for increased eHCoV antibody levels following SARS-CoV-2 seroconversion in mothers but not infants, suggesting eHCoV responses can be boosted by SARS-CoV-2 infection when a prior memory response has been established, and that pre-existing cross-reactive antibodies are not strongly associated with SARS-CoV-2 infection risk in mothers or infants.

Abstract A major goal of current SARS-CoV-2 vaccine efforts is to elicit antibody responses that confer protection. Mapping the epitope targets of the SARS-CoV-2 antibody response is critical for innovative vaccine design, diagnostics, and development of therapeutics. Here, we developed a phage display library to map antibody binding sites at high resolution within the complete viral proteomes of all human-infecting coronaviruses in patients with mild or moderate/severe COVID-19. The dominant immune responses to SARS-CoV-2 were targeted to regions spanning the Spike protein, Nucleocapsid, and ORF1ab. Some epitopes were identified in the majority of samples while others were rare, and we found variation in the number of epitopes targeted by different individuals. We also identified a set of cross-reactive sequences that were bound by antibodies in SARS-CoV-2 unexposed individuals. Finally, we uncovered a subset of enriched epitopes from commonly circulating human coronaviruses with significant homology to highly reactive SARS-CoV-2 sequences.

C. neoformans Dnmt5 is an ultraspecific maintenance-type CpG methyltransferase (DNMT) that mediates long-term epigenome evolution. It harbors a DNMT domain and SNF2 ATPase domain. We find that the SNF2 domain couples substrate specificity to an ATPase step that is essential for DNA methylation. Such coupling occurs independently of nucleosomes. Hemimethylated DNA preferentially stimulates ATPase activity, and mutating the Dnmt5 ATP binding pocket disproportionately reduces ATPase stimulation by hemimethylated versus unmethylated substrates. Engineered DNA substrates that stabilize a reaction intermediate by mimicking a flipped-out conformation of the target cytosine bypass the SNF2 domain's requirement for hemimethylation. This result implies that ATP hydrolysis by the SNF2 domain is coupled to base-flipping by the DNMT domain. These findings establish a new role for a SNF2 ATPase domain: controlling substrate recognition and catalysis by an adjoined enzymatic domain. This coupling may contribute to the exquisite specificity of Dnmt5 via mechanisms related to kinetic proofreading.

Infant antibody responses to viral infection can differ from those in adults. However, data on the specificity and function of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) antibodies in infants, and direct comparisons between infants and adults are limited. We characterized antibody binding and functionality in convalescent plasma from postpartum women and their infants infected with SARS-CoV-2 from a vaccine-naïve prospective cohort in Nairobi, Kenya. Antibody titers against SARS-CoV-2 Spike, receptor binding domain and N-terminal domain, and Spike-expressing cell-surface staining levels were significantly higher in infants than in mothers. Plasma antibodies from mothers and infants bound to similar regions of the Spike S2 subunit, including the fusion peptide (FP) and stem helix-heptad repeat 2. However, infants displayed higher antibody levels and more consistent antibody escape pathways in the FP region compared to mothers. Finally, infants had significantly higher levels of antibody-dependent cellular cytotoxicity (ADCC), though, surprisingly, neutralization titers between infants and mothers were similar. These results suggest infants develop distinct SARS-CoV-2 binding and functional antibody repertoires and reveal age-related differences in humoral immunity to SARS-CoV-2 infection that could be relevant to protection and COVID-19 disease outcomes.

Cytoskeletal forces acting upon telomeres promote active chromosome motion needed to pair homologous chromosomes during meiosis. The necessary components that allow this force to be applied to telomeres is still unclear, as are the roles of this motion and whether motion is needed primarily for increasing collisions of homologous regions, testing homolog pairing fidelity, or some other role. Here, we show a novel role for telomerase, previously known to be responsible for telomeric end replication, in anchoring telomeres to the nuclear envelope (NE) to provide proper transmission of cytoskeletal forces during meiosis. Reduction in telomerase function in Saccharomyces cerevisiae results in a dramatic decrease in the frequency of high velocity pulls resulting in earlier homolog synapsis and increased recombination. These observations are consistent with a model in which telomeric cytoskeletal engagement ensures homolog pairing fidelity by pulling apart improperly associated regions whereas general chromosomal motion aids in increasing homologous contacts.

Cytosine methylation of DNA is a widespread modification of DNA that plays numerous critical roles, yet has been lost many times in diverse eukaryotic lineages. In the yeast Cryptococcus neoformans , CG methylation occurs in transposon-rich repeats and requires the DNA methyltransferase, Dnmt5. We show that Dnmt5 displays exquisite maintenance-type specificity in vitro and in vivo and utilizes similar in vivo cofactors as the metazoan maintenance methylase Dnmt1. Remarkably, phylogenetic and functional analysis revealed that the ancestral species lost the gene for a de novo methylase, DnmtX, between 50-150 MYA. We examined how methylation has persisted since the ancient loss of DnmtX. Experimental and comparative studies reveal efficient replication of methylation patterns in C. neoformans , rare stochastic methylation loss and gain events, and the action of natural selection. We propose that an epigenome has been propagated for >50 MY through a process analogous to Darwinian evolution of the genome.

The SARS-CoV-2 virus responsible for the COVID-19 global pandemic has exhibited a striking capacity for viral evolution that drives continued evasion from vaccine and infection-induced immune responses. Mutations in the receptor binding domain of the S1 subunit of the spike glycoprotein have led to considerable escape from antibody responses, reducing the efficacy of vaccines and monoclonal antibody (mAb) therapies. Therefore, there is a need to interrogate more constrained regions of Spike, such as the S2 subdomain. Here, we describe a collection of S2 mAbs from two SARS-CoV-2 convalescent individuals that target multiple regions in the S2 subdomain and can be grouped into at least five epitope classes. Most did not neutralize SARS-CoV-2 with the exception of C20.119, which bound to a highly conserved epitope in the fusion peptide and showed broad binding and neutralization activity across SARS-CoV-2, SARS-CoV-1, and closely related zoonotic sarbecoviruses. Several of the S2 mAbs tested mediated antibody-dependent cellular cytotoxicity (ADCC) at levels similar to the S1 mAb S309 that was previously authorized for treatment of SARS-CoV-2 infections. Three of the mAbs with ADCC function also bound to spike trimers from HCoVs, such as MERS-CoV and HCoV-HKU1. Our findings suggest there are diverse epitopes in S2, including functional S2 mAbs with HCoV and sarbecovirus breadth that likely target functionally constrained regions of spike. These mAbs could be developed for potential future pandemics, while also providing insight into ideal epitopes for eliciting a broad HCoV response.