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.

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.

Continuous evolution of Omicron has led to a rapid and simultaneous emergence of numerous variants that display growth advantages over BA.5 (ref. 1). Despite their divergent evolutionary courses, mutations on their receptor-binding domain (RBD) converge on several hotspots. The driving force and destination of such sudden convergent evolution and its effect on humoral immunity remain unclear. Here we demonstrate that these convergent mutations can cause evasion of neutralizing antibody drugs and convalescent plasma, including those from BA.5 breakthrough infection, while maintaining sufficient ACE2-binding capability. BQ.1.1.10 (BQ.1.1 + Y144del), BA.4.6.3, XBB and CH.1.1 are the most antibody-evasive strains tested. To delineate the origin of the convergent evolution, we determined the escape mutation profiles and neutralization activity of monoclonal antibodies isolated from individuals who had BA.2 and BA.5 breakthrough infections2,3. Owing to humoral immune imprinting, BA.2 and especially BA.5 breakthrough infection reduced the diversity of the neutralizing antibody binding sites and increased proportions of non-neutralizing antibody clones, which, in turn, focused humoral immune pressure and promoted convergent evolution in the RBD. Moreover, we show that the convergent RBD mutations could be accurately inferred by deep mutational scanning profiles4,5, and the evolution trends of BA.2.75 and BA.5 subvariants could be well foreseen through constructed convergent pseudovirus mutants. These results suggest that current herd immunity and BA.5 vaccine boosters may not efficiently prevent the infection of Omicron convergent variants.

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 Omicron sub-lineage BA.2 has rapidly surged globally, accounting for over 60% of recent SARS-CoV-2 infections. Newly acquired RBD mutations and high transmission advantage over BA.1 urge the investigation of BA.2’s immune evasion capability. Here, we show that BA.2 causes strong neutralization resistance, comparable to BA.1, in vaccinated individuals’ plasma. However, BA.2 displays more severe antibody evasion in BA.1 convalescents, and most prominently, in vaccinated SARS convalescents’ plasma, suggesting a substantial antigenicity difference between BA.2 and BA.1. To specify, we determined the escaping mutation profiles 1,2 of 714 SARS-CoV-2 RBD neutralizing antibodies, including 241 broad sarbecovirus neutralizing antibodies isolated from SARS convalescents, and measured their neutralization efficacy against BA.1, BA.1.1, BA.2. Importantly, BA.2 specifically induces large-scale escape of BA.1/BA.1.1-effective broad sarbecovirus neutralizing antibodies via novel mutations T376A, D405N, and R408S. These sites were highly conserved across sarbecoviruses, suggesting that Omicron BA.2 arose from immune pressure selection instead of zoonotic spillover. Moreover, BA.2 reduces the efficacy of S309 (Sotrovimab) 3,4 and broad sarbecovirus neutralizing antibodies targeting the similar epitope region, including BD55-5840. Structural comparisons of BD55-5840 in complexes with BA.1 and BA.2 spike suggest that BA.2 could hinder antibody binding through S371F-induced N343-glycan displacement. Intriguingly, the absence of G446S mutation in BA.2 enabled a proportion of 440-449 linear epitope targeting antibodies to retain neutralizing efficacy, including COV2-2130 (Cilgavimab) 5 . Together, we showed that BA.2 exhibits distinct antigenicity compared to BA.1 and provided a comprehensive profile of SARS-CoV-2 antibody escaping mutations. Our study offers critical insights into the humoral immune evading mechanism of current and future variants.

Abstract SARS-CoV-2 Omicron sublineages have escaped most RBD-targeting therapeutic neutralizing antibodies (NAbs), which proves the previous NAb drug screening strategies deficient against the fast-evolving SARS-CoV-2. Better broad NAb drug candidate selection methods are needed. Here, we describe a rational approach for identifying RBD-targeting broad SARS-CoV-2 NAb cocktails. Based on high-throughput epitope determination, we propose that broad NAb drugs should target non-immunodominant RBD epitopes to avoid herd immunity-directed escape mutations. Also, their interacting antigen residues should focus on sarbecovirus conserved sites and associate with critical viral functions, making the antibody-escaping mutations less likely to appear. Following the criteria, a featured non-competing antibody cocktail, SA55+SA58, is identified from a large collection of broad sarbecovirus NAbs isolated from SARS convalescents. SA55+SA58 potently neutralizes ACE2-utilizing sarbecoviruses, including circulating Omicron variants, and could serve as broad SARS-CoV-2 prophylactics to offer long-term protection. Our screening strategy can also be applied to identify broad-spectrum NAb drugs against other fast-evolving viruses, such as influenza viruses.

The ongoing coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic is caused by infection with severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2). Human natural defense mechanisms against SARS-CoV-2 are largely unknown. Serine proteases (SPs) including furin and TMPRSS2 cleave SARS-CoV-2 spike protein, facilitating viral entry. Here, we show that FXa, a SP for blood coagulation, is upregulated in COVID-19 patients compared to non-COVID-19 donors and exerts anti-viral activity. Mechanistically, FXa cleaves the SARS-CoV-2 spike protein, which prevents its binding to ACE2, and thus blocks viral entry. Furthermore, the variant B.1.1.7 with several mutations is dramatically resistant to the anti-viral effect of FXa compared to wild-type SARA-CoV-2 in vivo and in vitro. The anti-coagulant rivaroxaban directly inhibits FXa and facilitates viral entry, whereas the indirect inhibitor fondaparinux does not. In a lethal humanized hACE2 mouse model of SARS-CoV-2, FXa prolonged survival while combination with rivaroxaban but not fondaparinux abrogated this protection. These preclinical results identify a previously unknown SP function and associated anti-viral host defense mechanism and suggest caution in considering direct inhibitors for prevention or treatment of thrombotic complications in COVID-19 patients.

Abstract The global emergency caused by the SARS-CoV-2 pandemics can only be solved with adequate preventive and therapeutic strategies, both currently missing. The electropositive Receptor Binding Domain (RBD) of SARS-CoV-2 spike protein with abundant β-sheet structure serves as target for COVID-19 therapeutic drug design. Here, we discovered that ultrathin 2D CuInP 2 S 6 (CIPS) nanosheets as a new agent against SARS-CoV-2 infection, which also able to promote viral host elimination. CIPS exhibits extremely high and selective binding capacity with the RBD of SARS-CoV-2 spike protein, with consequent inhibition of virus entry and infection in ACE2-bearing cells and human airway epithelial organoids. CIPS displays nano-viscous properties in selectively binding with spike protein ( K D < 1 pM) with negligible toxicity in vitro and in vivo . Further, the CIPS-bound SARS-CoV-2 was quickly phagocytosed and eliminated by macrophages, suggesting CIPS could be successfully used to capture and facilitate the virus host elimination with possibility of triggering anti-viral immunization. Thus, we propose CIPS as a promising nanodrug for future safe and effective anti-SARS-CoV-2 therapy, as well as for use as disinfection agent and surface coating material to constrain the SARS-CoV-2 spreading.

Abstract Coronavirus disease 2019 (COVID-19) continuously proceeds despite the application of a variety of vaccines. It is still urgent to find effective ways to treat COVID-19. Recent studies indicate that NRP1, an important receptor of the natural peptide tuftsin, facilitates SARS-CoV-2 infection. Importantly, tuftsin is a natural human molecule released from IgG. Here, we found 91 overlapping genes between tuftsin targets and COVID-19-associated genes. Bioinformatics analyses indicated that tuftsin could also target ACE2 and exert some immune-related functions to treat COVID-19. Using surface plasmon resonance (SPR) analysis, we confirmed that tuftsin can bind ACE2 and NRP1 directly. Moreover, tuftsin effectively impairs the binding of SARS-CoV-2 S1 to ACE2. Thus, tuftsin is an attractive drug against COVID-19. And tuftsin as natural immunostimulating peptide in human, we speculate that tuftsin may has crucial roles in asymptomatic carriers or mild cases of COVID-19.