The spike protein of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is critical for virus infection through the engagement of the human ACE2 protein1 and is a major antibody target. Here we show that chronic infection with SARS-CoV-2 leads to viral evolution and reduced sensitivity to neutralizing antibodies in an immunosuppressed individual treated with convalescent plasma, by generating whole-genome ultra-deep sequences for 23 time points that span 101 days and using in vitro techniques to characterize the mutations revealed by sequencing. There was little change in the overall structure of the viral population after two courses of remdesivir during the first 57 days. However, after convalescent plasma therapy, we observed large, dynamic shifts in the viral population, with the emergence of a dominant viral strain that contained a substitution (D796H) in the S2 subunit and a deletion (ΔH69/ΔV70) in the S1 N-terminal domain of the spike protein. As passively transferred serum antibodies diminished, viruses with the escape genotype were reduced in frequency, before returning during a final, unsuccessful course of convalescent plasma treatment. In vitro, the spike double mutant bearing both ΔH69/ΔV70 and D796H conferred modestly decreased sensitivity to convalescent plasma, while maintaining infectivity levels that were similar to the wild-type virus.The spike substitution mutant D796H appeared to be the main contributor to the decreased susceptibility to neutralizing antibodies, but this mutation resulted in an infectivity defect. The spike deletion mutant ΔH69/ΔV70 had a twofold higher level of infectivity than wild-type SARS-CoV-2, possibly compensating for the reduced infectivity of the D796H mutation. These data reveal strong selection on SARS-CoV-2 during convalescent plasma therapy, which is associated with the emergence of viral variants that show evidence of reduced susceptibility to neutralizing antibodies in immunosuppressed individuals. Chronic infection with SARS-CoV-2 leads to the emergence of viral variants that show reduced susceptibility to neutralizing antibodies in an immunosuppressed individual treated with convalescent plasma.

Transmission of SARS-CoV-2 is uncontrolled in many parts of the world; control is compounded in some areas by the higher transmission potential of the B.1.1.7 variant1, which has now been reported in 94 countries. It is unclear whether the response of the virus to vaccines against SARS-CoV-2 on the basis of the prototypic strain will be affected by the mutations found in B.1.1.7. Here we assess the immune responses of individuals after vaccination with the mRNA-based vaccine BNT162b22. We measured neutralizing antibody responses after the first and second immunizations using pseudoviruses that expressed the wild-type spike protein or a mutated spike protein that contained the eight amino acid changes found in the B.1.1.7 variant. The sera from individuals who received the vaccine exhibited a broad range of neutralizing titres against the wild-type pseudoviruses that were modestly reduced against the B.1.1.7 variant. This reduction was also evident in sera from some patients who had recovered from COVID-19. Decreased neutralization of the B.1.1.7 variant was also observed for monoclonal antibodies that target the N-terminal domain (9 out of 10) and the receptor-binding motif (5 out of 31), but not for monoclonal antibodies that recognize the receptor-binding domain that bind outside the receptor-binding motif. Introduction of the mutation that encodes the E484K substitution in the B.1.1.7 background to reflect a newly emerged variant of concern (VOC 202102/02) led to a more-substantial loss of neutralizing activity by vaccine-elicited antibodies and monoclonal antibodies (19 out of 31) compared with the loss of neutralizing activity conferred by the mutations in B.1.1.7 alone. The emergence of the E484K substitution in a B.1.1.7 background represents a threat to the efficacy of the BNT162b2 vaccine. Sera from vaccinated individuals and some monoclonal antibodies show a modest reduction in neutralizing activity against the B.1.1.7 variant of SARS-CoV-2; but the E484K substitution leads to a considerable loss of neutralizing activity.

Abstract Although two-dose mRNA vaccination provides excellent protection against SARS-CoV-2, there is little information about vaccine efficacy against variants of concern (VOC) in individuals above eighty years of age 1 . Here we analysed immune responses following vaccination with the BNT162b2 mRNA vaccine 2 in elderly participants and younger healthcare workers. Serum neutralization and levels of binding IgG or IgA after the first vaccine dose were lower in older individuals, with a marked drop in participants over eighty years old. Sera from participants above eighty showed lower neutralization potency against the B.1.1.7 (Alpha), B.1.351 (Beta) and P.1. (Gamma) VOC than against the wild-type virus and were more likely to lack any neutralization against VOC following the first dose. However, following the second dose, neutralization against VOC was detectable regardless of age. The frequency of SARS-CoV-2 spike-specific memory B cells was higher in elderly responders (whose serum showed neutralization activity) than in non-responders after the first dose. Elderly participants showed a clear reduction in somatic hypermutation of class-switched cells. The production of interferon-γ and interleukin-2 by SARS-CoV-2 spike-specific T cells was lower in older participants, and both cytokines were secreted primarily by CD4 T cells. We conclude that the elderly are a high-risk population and that specific measures to boost vaccine responses in this population are warranted, particularly where variants of concern are circulating.

The spike (S) protein of SARS-CoV-2 mediates receptor binding and cell entry and is the dominant target of the immune system. It exhibits substantial conformational flexibility. It transitions from closed to open conformations to expose its receptor-binding site and, subsequently, from prefusion to postfusion conformations to mediate fusion of viral and cellular membranes. S-protein derivatives are components of vaccine candidates and diagnostic assays, as well as tools for research into the biology and immunology of SARS-CoV-2. Here we have designed mutations in S that allow the production of thermostable, disulfide-bonded S-protein trimers that are trapped in the closed, prefusion state. Structures of the disulfide-stabilized and non-disulfide-stabilized proteins reveal distinct closed and locked conformations of the S trimer. We demonstrate that the designed, thermostable, closed S trimer can be used in serological assays. This protein has potential applications as a reagent for serology, virology and as an immunogen. The SARS-CoV-2 spike glycoprotein is flexible, and its receptor-binding domain (RBD) fluctuates between open and closed conformations. Disulfide bonds are engineered into the spike ectodomain to lock the RBD in the closed state, leading to a construct with high thermostability.

The kinetics of the immune changes in COVID-19 across severity groups have not been rigorously assessed. Using immunophenotyping, RNA sequencing, and serum cytokine analysis, we analyzed serial samples from 207 SARS-CoV2-infected individuals with a range of disease severities over 12 weeks from symptom onset. An early robust bystander CD8+ T cell immune response, without systemic inflammation, characterized asymptomatic or mild disease. Hospitalized individuals had delayed bystander responses and systemic inflammation that was already evident near symptom onset, indicating that immunopathology may be inevitable in some individuals. Viral load did not correlate with this early pathological response but did correlate with subsequent disease severity. Immune recovery is complex, with profound persistent cellular abnormalities in severe disease correlating with altered inflammatory responses, with signatures associated with increased oxidative phosphorylation replacing those driven by cytokines tumor necrosis factor (TNF) and interleukin (IL)-6. These late immunometabolic and immune defects may have clinical implications.

Summary Fetal growth and development during human pregnancy depends on delivery of adequate maternal oxygen and nutrients to the fetus via the placenta. In humans, the balanced invasion of fetal placental trophoblast cells into the maternal uterine lining, where they interact with uterine natural killer cells (uNK), is thought to be critical for a successful pregnancy but exactly how this influences reproductive outcomes remains undefined. Here, we used our trophoblast organoid model and primary tissue samples to determine how uNK affect placentation. By locating potential interaction axes between primary trophoblast cells and uNK using single cell transcriptomics, and in vitro modelling of these interactions in trophoblast organoids, we identify a uNK-derived cytokine signal that promotes trophoblast differentiation by enhancing epithelial-mesenchymal transition and increasing trophoblast cells at the late stage of the invasive pathway. Moreover, it affects transcriptional programs involved in increasing blood flow, placental access to nutrients, and dampening inflammatory and adaptive immune responses, as well as gene signatures associated with disorders of pregnancy such as pre-eclampsia. Our findings shed new light on how optimal immunological interactions between maternal uNK cells and fetal trophoblast enhance reproductive success.

Killer-cell immunoglobulin-like receptor (KIR) genes are inherited as haplotypes, expressed by NK cells and linked to outcomes of infectious diseases and pregnancy. Understanding how genotype relates to phenotype is difficult because of the extensive diversity of the KIR family. Indeed, high-resolution KIR genotyping and phenotyping in single NK cells in the context of disease association is lacking. Here, we describe a new method to separate NK cells expressing allotypes of the KIR2DL1 gene carried by the KIR A haplotype (KIR2DL1A) from those expressing KIR2DL1 alleles carried by the KIR B haplotype (KIR2DL1B). We find that in KIR AB heterozygous individuals, different KIR2DL1 allotypes can be detected both in peripheral blood and in uterine single NK cells. Using this new method, we demonstrate that both blood and uterine NK cells co-dominantly express KIR2DL1A and KIR2DL1B allotypes, but with a predominance of KIR2DL1A variants, which associate with enhanced NK cell function. In a case-control study of pre-eclampsia, we show that KIR2DL1A, not KIR2DL1B, associates with increased disease risk. This method will facilitate our understanding of how individual KIR2DL1 allelic variants affect NK cell function and contribute to disease risk.