The B.1.1.529/Omicron variant of SARS-CoV-2 was only recently detected in southern Africa, but its subsequent spread has been extensive, both regionally and globally1. It is expected to become dominant in the coming weeks2, probably due to enhanced transmissibility. A striking feature of this variant is the large number of spike mutations3 that pose a threat to the efficacy of current COVID-19 vaccines and antibody therapies4. This concern is amplified by the findings of our study. Here we found that B.1.1.529 is markedly resistant to neutralization by serum not only from patients who recovered from COVID-19, but also from individuals who were vaccinated with one of the four widely used COVID-19 vaccines. Even serum from individuals who were vaccinated and received a booster dose of mRNA-based vaccines exhibited substantially diminished neutralizing activity against B.1.1.529. By evaluating a panel of monoclonal antibodies against all known epitope clusters on the spike protein, we noted that the activity of 17 out of the 19 antibodies tested were either abolished or impaired, including ones that are currently authorized or approved for use in patients. Moreover, we also identified four new spike mutations (S371L, N440K, G446S and Q493R) that confer greater antibody resistance on B.1.1.529. The Omicron variant presents a serious threat to many existing COVID-19 vaccines and therapies, compelling the development of new interventions that anticipate the evolutionary trajectory of SARS-CoV-2. The B.1.1.529/Omicron variant of SARS-CoV-2 is resistant to neutralization by serum not only from patients who recovered from COVID-19, but also from individuals vaccinated with one of the four widely used COVID-19 vaccines.

Abstract The identification of the Omicron (B.1.1.529.1 or BA.1) variant of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) in Botswana in November 2021 1 immediately caused concern owing to the number of alterations in the spike glycoprotein that could lead to antibody evasion. We 2 and others 3–6 recently reported results confirming such a concern. Continuing surveillance of the evolution of Omicron has since revealed the rise in prevalence of two sublineages, BA.1 with an R346K alteration (BA.1+R346K, also known as BA.1.1) and B.1.1.529.2 (BA.2), with the latter containing 8 unique spike alterations and lacking 13 spike alterations found in BA.1. Here we extended our studies to include antigenic characterization of these new sublineages. Polyclonal sera from patients infected by wild-type SARS-CoV-2 or recipients of current mRNA vaccines showed a substantial loss in neutralizing activity against both BA.1+R346K and BA.2, with drops comparable to that already reported for BA.1 (refs. 2,3,5,6 ). These findings indicate that these three sublineages of Omicron are antigenically equidistant from the wild-type SARS-CoV-2 and thus similarly threaten the efficacies of current vaccines. BA.2 also exhibited marked resistance to 17 of 19 neutralizing monoclonal antibodies tested, including S309 (sotrovimab) 7 , which had retained appreciable activity against BA.1 and BA.1+R346K (refs. 2–4,6 ). This finding shows that no authorized monoclonal antibody therapy could adequately cover all sublineages of the Omicron variant, except for the recently authorized LY-CoV1404 (bebtelovimab).

Abstract SARS-CoV-2 Omicron subvariants BA.2.12.1 and BA.4/5 have surged notably to become dominant in the United States and South Africa, respectively 1,2 . These new subvariants carrying further mutations in their spike proteins raise concerns that they may further evade neutralizing antibodies, thereby further compromising the efficacy of COVID-19 vaccines and therapeutic monoclonals. We now report findings from a systematic antigenic analysis of these surging Omicron subvariants. BA.2.12.1 is only modestly (1.8-fold) more resistant to sera from vaccinated and boosted individuals than BA.2. However, BA.4/5 is substantially (4.2-fold) more resistant and thus more likely to lead to vaccine breakthrough infections. Mutation at spike residue L452 found in both BA.2.12.1 and BA.4/5 facilitates escape from some antibodies directed to the so-called class 2 and 3 regions of the receptor-binding domain 3 . The F486V mutation found in BA.4/5 facilitates escape from certain class 1 and 2 antibodies but compromises the spike affinity for the viral receptor. The R493Q reversion mutation, however, restores receptor affinity and consequently the fitness of BA.4/5. Among therapeutic antibodies authorized for clinical use, only bebtelovimab retains full potency against both BA.2.12.1 and BA.4/5. The Omicron lineage of SARS-CoV-2 continues to evolve, successively yielding subvariants that are not only more transmissible but also more evasive to antibodies.

The BQ and XBB subvariants of SARS-CoV-2 Omicron are now rapidly expanding, possibly due to altered antibody evasion properties deriving from their additional spike mutations. Here, we report that neutralization of BQ.1, BQ.1.1, XBB, and XBB.1 by sera from vaccinees and infected persons was markedly impaired, including sera from individuals boosted with a WA1/BA.5 bivalent mRNA vaccine. Titers against BQ and XBB subvariants were lower by 13- to 81-fold and 66- to 155-fold, respectively, far beyond what had been observed to date. Monoclonal antibodies capable of neutralizing the original Omicron variant were largely inactive against these new subvariants, and the responsible individual spike mutations were identified. These subvariants were found to have similar ACE2-binding affinities as their predecessors. Together, our findings indicate that BQ and XBB subvariants present serious threats to current COVID-19 vaccines, render inactive all authorized antibodies, and may have gained dominance in the population because of their advantage in evading antibodies.

Highlights•P.1 is refractory to multiple neutralizing mAbs, including three out of the four with EUA•P.1 is relatively resistant to neutralization by convalescent plasma and vaccinee sera•Cryo-EM structure of P.1 spike trimer reveals exclusively one-RBD-up conformationSummaryThe emergence of SARS-CoV-2 variants has raised concerns about altered sensitivity to antibody-mediated immunity. The relative resistance of SARS-CoV-2 variants B.1.1.7 and B.1.351 to antibody neutralization has been recently investigated. We report that another emergent variant from Brazil, P.1, is not only refractory to multiple neutralizing monoclonal antibodies but also more resistant to neutralization by convalescent plasma and vaccinee sera. The magnitude of resistance is greater for monoclonal antibodies than vaccinee sera and evident with both pseudovirus and authentic P.1 virus. The cryoelectron microscopy structure of a soluble prefusion-stabilized spike reveals that the P.1 trimer adopts exclusively a conformation in which one of the receptor-binding domains is in the "up" position, which is known to facilitate binding to entry receptor ACE2. The functional impact of P.1 mutations thus appears to arise from local changes instead of global conformational alterations. The P.1 variant threatens current antibody therapies but less so protective vaccine efficacy.Graphical abstract

Numerous antibodies that neutralize SARS-CoV-2 have been identified, and these generally target either the receptor-binding domain (RBD) or the N-terminal domain (NTD) of the viral spike. While RBD-directed antibodies have been extensively studied, far less is known about NTD-directed antibodies. Here, we report cryo-EM and crystal structures for seven potent NTD-directed neutralizing antibodies in complex with spike or isolated NTD. These structures defined several antibody classes, with at least one observed in multiple convalescent donors. The structures revealed that all seven antibodies target a common surface, bordered by glycans N17, N74, N122, and N149. This site—formed primarily by a mobile β-hairpin and several flexible loops—was highly electropositive, located at the periphery of the spike, and the largest glycan-free surface of NTD facing away from the viral membrane. Thus, in contrast to neutralizing RBD-directed antibodies that recognize multiple non-overlapping epitopes, potent NTD-directed neutralizing antibodies appear to target a single supersite.

BackgroundAlthough several COVID-19 vaccines have been developed so far, they will not be sufficient to meet the global demand. Development of a wider range of vaccines, with different mechanisms of action, could help control the spread of SARS-CoV-2 globally. We developed a protein subunit vaccine against COVID-19 using a dimeric form of the receptor-binding domain (RBD) of the SARS-CoV-2 spike protein as the antigen. We aimed to assess the safety and immunogenicity of this vaccine, ZF2001, and determine the appropriate dose and schedule for an efficacy study.MethodsWe did two randomised, double-blind, placebo-controlled, phase 1 and phase 2 trials. Phase 1 was done at two university hospitals in Chongqing and Beijing, China, and phase 2 was done at the Hunan Provincial Center for Disease Control and Prevention in Xiangtan, China. Healthy adults aged 18–59 years, without a history of SARS-CoV or SARS-CoV-2 infection, an RT-PCR-positive test result for SARS-CoV-2, a history of contact with confirmed or suspected COVID-19 cases, and severe allergies to any component of the vaccine were eligible for enrolment. In phase 1, participants were randomly assigned (2:2:1) to receive three doses of the vaccine (25 μg or 50 μg) or placebo intramuscularly, 30 days apart. In phase 2, participants were randomly assigned (1:1:1:1:1:1) to receive the vaccine (25 μg or 50 μg) or placebo intramuscularly, 30 days apart, in either a two-dose schedule or a three-dose schedule. Investigators, participants, and the laboratory team were masked to group allocation. For phase 1, the primary outcome was safety, measured by the occurrence of adverse events and serious adverse events. For phase 2, the primary outcome was safety and immunogenicity (the seroconversion rate and the magnitude, in geometric mean titres [GMTs], of SARS-CoV-2-neutralising antibodies). Analyses were done on an intention-to-treat and per-protocol basis. These trials are registered with ClinicalTrials.gov (NCT04445194 and NCT04466085) and participant follow-up is ongoing.FindingsBetween June 22 and July 3, 2020, 50 participants were enrolled into the phase 1 trial and randomly assigned to receive three doses of placebo (n=10), the 25 μg vaccine (n=20), or the 50 μg vaccine (n=20). The mean age of participants was 32·6 (SD 9·4) years. Between July 12 and July 17, 2020, 900 participants were enrolled into the phase 2 trial and randomly assigned to receive two doses of placebo (n=150), 25 μg vaccine (n=150), or 50 μg vaccine (n=150), or three doses of placebo (n=150), 25 μg vaccine (n=150), or 50 μg vaccine (n=150). The mean age of participants was 43·5 (SD 9·2) years. In both phase 1 and phase 2, adverse events reported within 30 days after vaccination were mild or moderate (grade 1 or 2) in most cases (phase 1: six [60%] of ten participants in the placebo group, 14 [70%] of 20 in the 25 μg group, and 18 [90%] of 20 in the 50 μg group; phase 2: 37 [25%] of 150 in the two-dose placebo group, 43 [29%] of 150 in the two-dose 25 μg group, 50 [33%] of 150 in the two-dose 50 μg group, 47 [31%] of 150 in the three-dose placebo group, 72 [48%] of 150 in the three-dose 25 μg group, and 65 [43%] of 150 in the three-dose 50 μg group). In phase 1, two (10%) grade 3 or worse adverse events were reported in the 50 μg group. In phase 2, grade 3 or worse adverse events were reported by 18 participants (four [3%] in the two-dose 25 μg vaccine group, two [1%] in the two-dose 50 μg vaccine group, two [1%] in the three-dose placebo group, four [3%] in the three-dose 25 μg vaccine group, and six [4%] in the three-dose 50 μg vaccine group), and 11 were considered vaccine related (two [1%] in the two-dose 25 μg vaccine group, one [1%] in the two-dose 50 μg vaccine group, one [1%] in the three-dose placebo group, two [1%] in the three-dose 25 μg vaccine group, and five [3%] in the three-dose 50 μg vaccine group); seven participants reported serious adverse events (one [1%] in the two-dose 25 μg vaccine group, one [1%] in the two-dose 50 μg vaccine group, two [1%] in the three-dose placebo group, one [1%] in the three-dose 25 μg vaccine group, and two [1%] in the three-dose 50 μg vaccine group), but none was considered vaccine related. In phase 2, on the two-dose schedule, seroconversion rates of neutralising antibodies 14 days after the second dose were 76% (114 of 150 participants) in the 25 μg group and 72% (108 of 150) in the 50 μg group; on the three-dose schedule, seroconversion rates of neutralising antibodies 14 days after the third dose were 97% (143 of 148 participants) in the 25 μg group and 93% (138 of 148) in the 50 μg group. In the two-dose groups in phase 2, the SARS-CoV-2-neutralising GMTs 14 days after the second dose were 17·7 (95% CI 13·6–23·1) in the 25 μg group and 14·1 (10·8–18·3) in the 50 μg group. In the three-dose groups in phase 2, the SARS-CoV-2-neutralising GMTs 14 days after the third dose were 102·5 (95% CI 81·8–128·5) in the 25 μg group and 69·1 (53·0–90·0) in the 50 μg group.InterpretationThe protein subunit vaccine ZF2001 appears to be well tolerated and immunogenic. The safety and immunogenicity data from the phase 1 and 2 trials support the use of the 25 μg dose in a three-dose schedule in an ongoing phase 3 trial for large-scale evaluation of ZF2001's safety and efficacy.FundingNational Program on Key Research Project of China, National Science and Technology Major Projects of Drug Discovery, Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences, and Anhui Zhifei Longcom Biopharmaceutical.TranslationFor the Chinese translation of the abstract see Supplementary Materials section.