Profiling coronaviruses Among the coronaviruses that infect humans, four cause mild common colds, whereas three others, including the currently circulating severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), result in severe infections. Shrock et al. used a technology known as VirScan to probe the antibody repertoires of hundreds of coronavirus disease 2019 (COVID-19) patients and pre–COVID-19 era controls. They identified hundreds of antibody targets, including several antibody epitopes shared by the mild and severe coronaviruses and many specific to SARS-CoV-2. A machine-learning model accurately classified patients infected with SARS-CoV-2 and guided the design of an assay for rapid SARS-CoV-2 antibody detection. The study also looked at how the antibody response and viral exposure history differ in patients with diverging outcomes, which could inform the production of improved vaccine and antibody therapies. Science , this issue p. eabd4250

COVID-19 has caused over 1 million deaths globally, yet the cellular mechanisms underlying severe disease remain poorly understood. By analyzing several thousand plasma proteins in 306 COVID-19 patients and 78 symptomatic controls over serial timepoints using two complementary approaches, we uncover COVID-19 host immune and non-immune proteins not previously linked to this disease. Integration of plasma proteomics with nine published scRNAseq datasets shows that SARS-CoV-2 infection upregulates monocyte/macrophage, plasmablast, and T cell effector proteins. By comparing patients who died to severely ill patients who survived, we identify dynamic immunomodulatory and tissue-associated proteins associated with survival, providing insights into which host responses are beneficial and which are detrimental to survival. We identify intracellular death signatures from specific tissues and cell types, and by associating these with angiotensin converting enzyme 2 (ACE2) expression, we map tissue damage associated with severe disease and propose which damage results from direct viral infection rather than from indirect effects of illness. We find that disease severity in lung tissue is driven by myeloid cell phenotypes and cell-cell interactions with lung epithelial cells and T cells. Based on these results, we propose a model of immune and epithelial cell interactions that drive cell-type specific and tissue-specific damage in severe COVID-19.

Multiple studies have identified an association between neutrophils and COVID-19 disease severity; however, the mechanistic basis of this association remains incompletely understood. Here we collected 781 longitudinal blood samples from 306 hospitalized COVID-19 + patients, 78 COVID-19 âˆ' acute respiratory distress syndrome patients, and 8 healthy controls, and performed bulk RNA-sequencing of enriched neutrophils, plasma proteomics, cfDNA measurements and high throughput antibody profiling assays to investigate the relationship between neutrophil states and disease severity or death. We identified dynamic switches between six distinct neutrophil subtypes using non-negative matrix factorization (NMF) clustering. At days 3 and 7 post-hospitalization, patients with severe disease had an enrichment of a granulocytic myeloid derived suppressor cell-like state gene expression signature, while non-severe patients with resolved disease were enriched for a progenitor-like immature neutrophil state signature. Severe disease was associated with gene sets related to neutrophil degranulation, neutrophil extracellular trap (NET) signatures, distinct metabolic signatures, and enhanced neutrophil activation and generation of reactive oxygen species (ROS). We found that the majority of patients had a transient interferon-stimulated gene signature upon presentation to the emergency department (ED) defined here as Day 0, regardless of disease severity, which persisted only in patients who subsequently died. Humoral responses were identified as potential drivers of neutrophil effector functions, as enhanced antibody-dependent neutrophil phagocytosis and reduced NETosis was associated with elevated SARS-CoV-2-specific IgG1-to-IgA1 ratios in plasma of severe patients who survived. In vitro experiments confirmed that while patient-derived IgG antibodies mostly drove neutrophil phagocytosis and ROS production in healthy donor neutrophils, patient-derived IgA antibodies induced a predominant NETosis response. Overall, our study demonstrates neutrophil dysregulation in severe COVID-19 and a potential role for IgA-dominant responses in driving neutrophil effector functions in severe disease and mortality.