Hitting SARS-CoV-2 in a new spot A key target for therapeutic antibodies against severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is the spike protein, a trimeric protein complex with each monomer comprising an S1 and an S2 domain that mediate binding to host cells and membrane fusion, respectively. In addition to the receptor binding domain (RBD), S1 has an N-terminal domain (NTD). In searching for neutralizing antibodies, there has been a focus on the RBD. Chi et al. isolated antibodies from 10 convalescent patients and identified an antibody that potently neutralizes the virus but does not bind the RBD. Cryo–electron microscopy revealed the epitope as the NTD. This NTD-targeting antibody may be useful to combine with RBD-targeting antibodies in therapeutic cocktails. Science , this issue p. 650

Abstract Neutralizing monoclonal antibodies (nAbs) to severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) represent promising candidates for clinical intervention against coronavirus virus diseases 2019 (COVID-19). We isolated a large number of nAbs from SARS-CoV-2 infected individuals capable of disrupting proper interaction between the receptor binding domain (RBD) of the viral spike (S) protein and the receptor angiotensin converting enzyme 2 (ACE2). In order to understand the mechanism of these nAbs on neutralizing SARS-CoV-2 virus infections, we have performed cryo-EM analysis and here report cryo-EM structures of the ten most potent nAbs in their native full-length IgG or Fab forms bound to the trimeric S protein of SARS-CoV-2. The bivalent binding of the full-length IgG is found to associate with more RBD in the “up” conformation than the monovalent binding of Fab, perhaps contributing to the enhanced neutralizing activity of IgG and triggering more shedding of the S1 subunit from the S protein. Comparison of large number of nAbs identified common and unique structural features associated with their potent neutralizing activities. This work provides structural basis for further understanding the mechanism of nAbs, especially through revealing the bivalent binding and their correlation with more potent neutralization and the shedding of S1 subunit.

Abstract The Omicron variants of SARS-CoV-2 have recently become the globally dominant variants of concern in the COVID-19 pandemic. At least five major Omicron sub-lineages have been characterized: BA.1, BA.2, BA.3, BA.4 and BA.5. They all possess over 30 mutations on the Spike (S) protein. Here we report the cryo-EM structures of the trimeric S proteins from the five subvariants, of which BA.4 and BA.5 share the same mutations of S protein, each in complex with the surface receptor ACE2. All three receptor binding domains of S protein from BA.2 and BA.4/BA.5 are “up”, while the BA.1 S protein has two “up” and one “down”. The BA.3 S protein displays increased heterogeneity, with the majority in the all “up” RBD state. The differentially preferred conformations of the S protein are consistent with their varied transmissibilities. Analysis of the well defined S309 and S2K146 epitopes reveals the underlie immune evasion mechanism of Omicron subvariants.

Abstract The pandemic of coronavirus disease 2019 (COVID-19) caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) presents a global public health threat. Most research on therapeutics against SARS-CoV-2 focused on the receptor binding domain (RBD) of the Spike (S) protein, whereas the vulnerable epitopes and functional mechanism of non-RBD regions are poorly understood. Here we isolated and characterized monoclonal antibodies (mAbs) derived from convalescent COVID-19 patients. An mAb targeting the N-terminal domain (NTD) of the SARS-CoV-2 S protein, named 4A8, exhibits high neutralization potency against both authentic and pseudotyped SARS-CoV-2, although it does not block the interaction between angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) receptor and S protein. The cryo-EM structure of the SARS-CoV-2 S protein in complex with 4A8 has been determined to an overall resolution of 3.1 Angstrom and local resolution of 3.4 Angstrom for the 4A8-NTD interface, revealing detailed interactions between the NTD and 4A8. Our functional and structural characterizations discover a new vulnerable epitope of the S protein and identify promising neutralizing mAbs as potential clinical therapy for COVID-19.

ABSTRACT Recent studies found that Omicron variant escapes vaccine-elicited immunity. Interestingly, potent cross-clade pan-sarbecovirus neutralizing antibodies were found in survivors of the infection by SARS-CoV-1 after BNT162b2 mRNA vaccination ( N Engl J Med. 2021 Oct 7;385(15):1401-1406 ). These pan-sarbecovirus neutralizing antibodies were observed to efficiently neutralize the infection driven by the S protein from both SARS-CoV and multiple SARS-CoV-2 variants of concern (VOC) including B.1.1.7 (Alpha), B.1.351 (Beta), and B.1.617.2 (Delta). However, whether these cross-reactive antibodies could neutralize the Omicron variant is still unknown. Based on the data collected from a cohort of SARS-CoV-1 survivors received 3-dose of immunization, our studies reported herein showed that a high level of neutralizing antibodies against both SARS-CoV-1 and SARS-CoV-2 were elicited by a 3rd-dose of booster vaccination of protein subunit vaccine ZF2001. However, a dramatically reduced neutralization of SARS-CoV-2 Omicron Variant (B.1.1.529) is observed in sera from these SARS-CoV-1 survivors received 3-dose of Vaccination. Our results indicates that the rapid development of pan-variant adapted vaccines is warranted.

Abstract The pandemic of COVID-19 caused by SARS-CoV-2 continues to spread around the world. Mutant strains of SARS-CoV-2 are constantly emerging. At present, Omicron variants have become mainstream. In this work, we carried out a systematic and comprehensive analysis of the reported spike protein antibodies, counting the antibodies’ epitopes and genotypes. We further comprehensively analyzed the impact of Omicron mutations on antibody epitopes and classified these antibodies according to their binding patterns. We found that the epitopes of one class of antibodies were significantly less affected by Omicron mutations than other classes. Binding and virus neutralization experiments show that such antibodies can effectively inhibit the immune escape of Omicron. Cryo-EM results show that this class of antibodies utilizes a conserved mechanism to neutralize SARS-CoV-2. Our results greatly help us deeply understand the impact of Omicron mutations. At the same time, it also provides guidance and insights for developing Omicron antibodies and vaccines.

Abstract Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) variants of concern (VOCs) continue to wreak havoc across the globe. Higher transmissibility and immunologic resistance of VOCs bring unprecedented challenges to epidemic extinguishment. Here we describe a monoclonal antibody, 2G1, that neutralizes all current VOCs and has surprising tolerance to mutations adjacent to or within its interaction epitope. Cryo-electron microscopy structure showed that 2G1 bound to the tip of receptor binding domain (RBD) of spike protein with small contact interface but strong hydrophobic effect, which resulted in nanomolar to sub-nanomolar affinities to spike proteins. The epitope of 2G1 on RBD partially overlaps with ACE2 interface, which gives 2G1 ability to block interaction between RBD and ACE2. The narrow binding epitope but high affinity bestow outstanding therapeutic efficacy upon 2G1 that neutralized VOCs with sub-nanomolar IC 50 in vitro . In SARS-CoV-2 and Beta- and Delta-variant-challenged transgenic mice and rhesus macaque models, 2G1 protected animals from clinical illness and eliminated viral burden, without serious impact to animal safety. Mutagenesis experiments suggest that 2G1 could be potentially capable of dealing with emerging SARS-CoV-2 variants in future. This report characterized the therapeutic antibodies specific to the tip of spike against SARS-CoV-2 variants and highlights the potential clinical applications as well as for developing vaccine and cocktail therapy.

SARS-CoV-2 has been evolving into a large number of variants, including the highly pathogenic Delta variant, and the currently prevalent Omicron subvariants with extensive evasion capability, which raises an urgent need to develop new broad-spectrum neutralizing antibodies. Herein, we engineer two IgG-(scFv)

Angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) has been suggested to be the cellular receptor for the new coronavirus (2019-nCoV) that is causing the coronavirus disease 2019 (COVID-19). Like other coronaviruses such as the SARS-CoV, the 2019-nCoV uses the receptor binding domain (RBD) of the surface spike glycoprotein (S protein) to engage ACE2. We most recently determined the structure of the full-length human ACE2 in complex with a neutral amino acid transporter BAT1. Here we report the cryo-EM structure of the full-length human ACE2 bound to the RBD of the 2019-nCoV at an overall resolution of 2.9 Å in the presence of BAT1. The local resolution at the ACE2-RBD interface is 3.5 Å, allowing analysis of the detailed interactions between the RBD and the receptor. Similar to that for the SARS-CoV, the RBD of the 2019-nCoV is recognized by the extracellular peptidase domain (PD) of ACE2 mainly through polar residues. Pairwise comparison reveals a number of variations that may determine the different affinities between ACE2 and the RBDs from these two related viruses.