SARS-CoV-2, the virus responsible for COVID-19, is causing a devastating worldwide pandemic, and there is a pressing need to understand the development, specificity, and neutralizing potency of humoral immune responses during acute infection. We report a cross-sectional study of antibody responses to the receptor-binding domain (RBD) of the spike protein and virus neutralization activity in a cohort of 44 hospitalized COVID-19 patients. RBD-specific IgG responses are detectable in all patients 6 days after PCR confirmation. Isotype switching to IgG occurs rapidly, primarily to IgG1 and IgG3. Using a clinical SARS-CoV-2 isolate, neutralizing antibody titers are detectable in all patients by 6 days after PCR confirmation and correlate with RBD-specific binding IgG titers. The RBD-specific binding data were further validated in a clinical setting with 231 PCR-confirmed COVID-19 patient samples. These findings have implications for understanding protective immunity against SARS-CoV-2, therapeutic use of immune plasma, and development of much-needed vaccines.

T follicular helper (Tfh) cells are required to develop germinal center (GC) responses and drive immunoglobulin class switch, affinity maturation, and long-term B cell memory. In this study, we characterize a recently developed vaccine platform, nucleoside-modified, purified mRNA encapsulated in lipid nanoparticles (mRNA-LNPs), that induces high levels of Tfh and GC B cells. Intradermal vaccination with nucleoside-modified mRNA-LNPs encoding various viral surface antigens elicited polyfunctional, antigen-specific, CD4+ T cell responses and potent neutralizing antibody responses in mice and nonhuman primates. Importantly, the strong antigen-specific Tfh cell response and high numbers of GC B cells and plasma cells were associated with long-lived and high-affinity neutralizing antibodies and durable protection. Comparative studies demonstrated that nucleoside-modified mRNA-LNP vaccines outperformed adjuvanted protein and inactivated virus vaccines and pathogen infection. The incorporation of noninflammatory, modified nucleosides in the mRNA is required for the production of large amounts of antigen and for robust immune responses.

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.