The SARS-CoV-2 B.1.1.529 (Omicron) variant contains 15 mutations of the receptor-binding domain (RBD). How Omicron evades RBD-targeted neutralizing antibodies requires immediate investigation. Here we use high-throughput yeast display screening1,2 to determine the profiles of RBD escaping mutations for 247 human anti-RBD neutralizing antibodies and show that the neutralizing antibodies can be classified by unsupervised clustering into six epitope groups (A-F)-a grouping that is highly concordant with knowledge-based structural classifications3-5. Various single mutations of Omicron can impair neutralizing antibodies of different epitope groups. Specifically, neutralizing antibodies in groups A-D, the epitopes of which overlap with the ACE2-binding motif, are largely escaped by K417N, G446S, E484A and Q493R. Antibodies in group E (for example, S309)6 and group F (for example, CR3022)7, which often exhibit broad sarbecovirus neutralizing activity, are less affected by Omicron, but a subset of neutralizing antibodies are still escaped by G339D, N440K and S371L. Furthermore, Omicron pseudovirus neutralization showed that neutralizing antibodies that sustained single mutations could also be escaped, owing to multiple synergetic mutations on their epitopes. In total, over 85% of the tested neutralizing antibodies were escaped by Omicron. With regard to neutralizing-antibody-based drugs, the neutralization potency of LY-CoV016, LY-CoV555, REGN10933, REGN10987, AZD1061, AZD8895 and BRII-196 was greatly undermined by Omicron, whereas VIR-7831 and DXP-604 still functioned at a reduced efficacy. Together, our data suggest that infection with Omicron would result in considerable humoral immune evasion, and that neutralizing antibodies targeting the sarbecovirus conserved region will remain most effective. Our results inform the development of antibody-based drugs and vaccines against Omicron and future variants.

The spike protein of SARS-CoV-2 has been undergoing mutations and is highly glycosylated. It is critically important to investigate the biological significance of these mutations. Here, we investigated 80 variants and 26 glycosylation site modifications for the infectivity and reactivity to a panel of neutralizing antibodies and sera from convalescent patients. D614G, along with several variants containing both D614G and another amino acid change, were significantly more infectious. Most variants with amino acid change at receptor binding domain were less infectious, but variants including A475V, L452R, V483A, and F490L became resistant to some neutralizing antibodies. Moreover, the majority of glycosylation deletions were less infectious, whereas deletion of both N331 and N343 glycosylation drastically reduced infectivity, revealing the importance of glycosylation for viral infectivity. Interestingly, N234Q was markedly resistant to neutralizing antibodies, whereas N165Q became more sensitive. These findings could be of value in the development of vaccine and therapeutic antibodies.

Abstract Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) Omicron sublineages BA.2.12.1, BA.4 and BA.5 exhibit higher transmissibility than the BA.2 lineage 1 . The receptor binding and immune-evasion capability of these recently emerged variants require immediate investigation. Here, coupled with structural comparisons of the spike proteins, we show that BA.2.12.1, BA.4 and BA.5 (BA.4 and BA.5 are hereafter referred collectively to as BA.4/BA.5) exhibit similar binding affinities to BA.2 for the angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) receptor. Of note, BA.2.12.1 and BA.4/BA.5 display increased evasion of neutralizing antibodies compared with BA.2 against plasma from triple-vaccinated individuals or from individuals who developed a BA.1 infection after vaccination. To delineate the underlying antibody-evasion mechanism, we determined the escape mutation profiles 2 , epitope distribution 3 and Omicron-neutralization efficiency of 1,640 neutralizing antibodies directed against the receptor-binding domain of the viral spike protein, including 614 antibodies isolated from people who had recovered from BA.1 infection. BA.1 infection after vaccination predominantly recalls humoral immune memory directed against ancestral (hereafter referred to as wild-type (WT)) SARS-CoV-2 spike protein. The resulting elicited antibodies could neutralize both WT SARS-CoV-2 and BA.1 and are enriched on epitopes on spike that do not bind ACE2. However, most of these cross-reactive neutralizing antibodies are evaded by spike mutants L452Q, L452R and F486V. BA.1 infection can also induce new clones of BA.1-specific antibodies that potently neutralize BA.1. Nevertheless, these neutralizing antibodies are largely evaded by BA.2 and BA.4/BA.5 owing to D405N and F486V mutations, and react weakly to pre-Omicron variants, exhibiting narrow neutralization breadths. The therapeutic neutralizing antibodies bebtelovimab 4 and cilgavimab 5 can effectively neutralize BA.2.12.1 and BA.4/BA.5, whereas the S371F, D405N and R408S mutations undermine most broadly sarbecovirus-neutralizing antibodies. Together, our results indicate that Omicron may evolve mutations to evade the humoral immunity elicited by BA.1 infection, suggesting that BA.1-derived vaccine boosters may not achieve broad-spectrum protection against new Omicron variants.

Pseudoviruses are useful virological tools because of their safety and versatility, especially for emerging and re-emerging viruses. Due to its high pathogenicity and infectivity and the lack of effective vaccines and therapeutics, live SARS-CoV-2 has to be handled under biosafety level 3 conditions, which has hindered the development of vaccines and therapeutics. Based on a VSV pseudovirus production system, a pseudovirus-based neutralization assay has been developed for evaluating neutralizing antibodies against SARS-CoV-2 in biosafety level 2 facilities. The key parameters for this assay were optimized, including cell types, cell numbers, virus inoculum. When tested against the SARS-CoV-2 pseudovirus, SARS-CoV-2 convalescent patient sera showed high neutralizing potency, which underscore its potential as therapeutics. The limit of detection for this assay was determined as 22.1 and 43.2 for human and mouse serum samples respectively using a panel of 120 negative samples. The cutoff values were set as 30 and 50 for human and mouse serum samples, respectively. This assay showed relatively low coefficient of variations with 15.9% and 16.2% for the intra- and inter-assay analyses respectively. Taken together, we established a robust pseudovirus-based neutralization assay for SARS-CoV-2 and are glad to share pseudoviruses and related protocols with the developers of vaccines or therapeutics to fight against this lethal virus.

A steric block to SARS-CoV-2 In response to infection by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), the immune system makes antibodies, many of which target the spike protein, a key player in host cell entry. Antibodies that potently neutralize the virus hold promise as therapeutics and could inform vaccine design. Lv et al. report a humanized monoclonal antibody that protected against SARS-CoV-2 in a mouse model. The cryo–electron microscopy structure, together with biochemical, cellular, and virological studies, showed that the antibody acts by binding to the receptor-binding domain of the spike and blocking its attachment to the host receptor. Science , this issue p. 1505

The 501Y.V2 variants of SARS-CoV-2 containing multiple mutations in spike are now dominant in South Africa and are rapidly spreading to other countries. Here, experiments with 18 pseudotyped viruses showed that the 501Y.V2 variants do not confer increased infectivity in multiple cell types except for murine ACE2-overexpressing cells, where a substantial increase in infectivity was observed. Notably, the susceptibility of the 501Y.V2 variants to 12 of 17 neutralizing monoclonal antibodies was substantially diminished, and the neutralization ability of the sera from convalescent patients and immunized mice was also reduced for these variants. The neutralization resistance was mainly caused by E484K and N501Y mutations in the receptor-binding domain of spike. The enhanced infectivity in murine ACE2-overexpressing cells suggests the possibility of spillover of the 501Y.V2 variants to mice. Moreover, the neutralization resistance we detected for the 501Y.V2 variants suggests the potential for compromised efficacy of monoclonal antibodies and vaccines.

The emergence of Omicron/BA.1 has brought new challenges to fight against SARS-CoV-2. A large number of mutations in the Spike protein suggest that its susceptibility to immune protection elicited by the existing COVID-19 infection and vaccines may be altered. In this study, we constructed the pseudotyped SARS-CoV-2 variant Omicron. The sensitivity of 28 serum samples from COVID-19 convalescent patients infected with SARS-CoV-2 original strain was tested against pseudotyped Omicron as well as the other variants of concern (VOCs, Alpha, Beta, Gamma, Delta) and variants of interest (VOIs, Lambda, Mu). Our results indicated that the mean neutralization ED50 of these sera against Omicron decreased to 66, which is about 8.4-folds compared to the D614G reference strain (ED50 = 556), whereas the neutralization activity of other VOC and VOI pseudotyped viruses decreased only about 1.2-4.5-folds. The finding from our in vitro assay suggest that Omicron variant may lead to more significant escape from immune protection elicited by previous SARS-CoV-2 infection and perhaps even by existing COVID-19 vaccines.

Pseudotyped viruses are useful virological tools because of their safety and versatility. On the basis of a vesicular stomatitis virus (VSV) pseudotyped virus production system, we developed a pseudotyped virus-based neutralization assay against severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) in biosafety level 2 facilities. Compared with the binding antibody test, the neutralization assay could discriminate the protective agents from the antibody family. This protocol includes production and titration of the SARS-CoV-2 S pseudotyped virus and the neutralization assay based on it. Various types of samples targeting virus attachment and entry could be evaluated for their potency, including serum samples derived from animals and humans, monoclonal antibodies and fusion inhibitors (peptides or small molecules). If the pseudotyped virus stock has been prepared in advance, it will take 2 days to get the potency data for the candidate samples. Experience in handling cells is needed before implementing this protocol. The production and titration of the SARS-CoV-2 S pseudotyped virus using a VSV-based pseudovirus production system in this protocol enable its use under biosafety level 2 conditions as well as in a neutralization assay to assess the level of neutralizing antibodies or molecular inhibitors in a sample.

Abstract The SARS-CoV-2 B.1.1.529 variant (Omicron) contains 15 mutations on the receptor-binding domain (RBD). How Omicron would evade RBD neutralizing antibodies (NAbs) requires immediate investigation. Here, we used high-throughput yeast display screening 1,2 to determine the RBD escaping mutation profiles for 247 human anti-RBD NAbs and showed that the NAbs could be unsupervised clustered into six epitope groups (A-F), which is highly concordant with knowledge-based structural classifications 3-5 . Strikingly, various single mutations of Omicron could impair NAbs of different epitope groups. Specifically, NAbs in Group A-D, whose epitope overlap with ACE2-binding motif, are largely escaped by K417N, G446S, E484A, and Q493R. Group E (S309 site) 6 and F (CR3022 site) 7 NAbs, which often exhibit broad sarbecovirus neutralizing activity, are less affected by Omicron, but still, a subset of NAbs are escaped by G339D, N440K, and S371L. Furthermore, Omicron pseudovirus neutralization showed that single mutation tolerating NAbs could also be escaped due to multiple synergetic mutations on their epitopes. In total, over 85% of the tested NAbs are escaped by Omicron. Regarding NAb drugs, the neutralization potency of LY-CoV016/LY-CoV555, REGN10933/REGN10987, AZD1061/AZD8895, and BRII-196 were greatly reduced by Omicron, while VIR-7831 and DXP-604 still function at reduced efficacy. Together, data suggest Omicron would cause significant humoral immune evasion, while NAbs targeting the sarbecovirus conserved region remain most effective. Our results offer instructions for developing NAb drugs and vaccines against Omicron and future variants.

Abstract The COVID-19 pandemic caused by the SARS-CoV-2 virus has resulted in an unprecedented public health crisis. There are no approved vaccines or therapeutics for treating COVID-19. Here we reported a humanized monoclonal antibody, H014, efficiently neutralizes SARS-CoV-2 and SARS-CoV pseudoviruses as well as authentic SARS-CoV-2 at nM level by engaging the S receptor binding domain (RBD). Importantly, H014 administration reduced SARS-CoV-2 titers in the infected lungs and prevented pulmonary pathology in hACE2 mouse model. Cryo-EM characterization of the SARS-CoV-2 S trimer in complex with the H014 Fab fragment unveiled a novel conformational epitope, which is only accessible when the RBD is in open conformation. Biochemical, cellular, virological and structural studies demonstrated that H014 prevents attachment of SARS-CoV-2 to its host cell receptors. Epitope analysis of available neutralizing antibodies against SARS-CoV and SARS-CoV-2 uncover broad cross-protective epitopes. Our results highlight a key role for antibody-based therapeutic interventions in the treatment of COVID-19. One sentence summary A potent neutralizing antibody conferred protection against SARS-CoV-2 in an hACE2 humanized mouse model by sterically blocking the interaction of the virus with its receptor.