Antibodies are crucial to immune protection against SARS-CoV-2, with some in emergency use as therapeutics. Here, we identify 377 human monoclonal antibodies (mAbs) recognizing the virus spike and focus mainly on 80 that bind the receptor binding domain (RBD). We devise a competition data-driven method to map RBD binding sites. We find that although antibody binding sites are widely dispersed, neutralizing antibody binding is focused, with nearly all highly inhibitory mAbs (IC50 < 0.1 μg/mL) blocking receptor interaction, except for one that binds a unique epitope in the N-terminal domain. Many of these neutralizing mAbs use public V-genes and are close to germline. We dissect the structural basis of recognition for this large panel of antibodies through X-ray crystallography and cryoelectron microscopy of 19 Fab-antigen structures. We find novel binding modes for some potently inhibitory antibodies and demonstrate that strongly neutralizing mAbs protect, prophylactically or therapeutically, in animal models.

The SARS-CoV-2 pandemic has led to an urgent need to understand the molecular basis for immune recognition of SARS-CoV-2 spike (S) glycoprotein antigenic sites. To define the genetic and structural basis for SARS-CoV-2 neutralization, we determined the structures of two human monoclonal antibodies COV2-2196 and COV2-2130 1 , which form the basis of the investigational antibody cocktail AZD7442, in complex with the receptor binding domain (RBD) of SARS-CoV-2. COV2-2196 forms an “aromatic cage” at the heavy/light chain interface using germline-encoded residues in complementarity determining regions (CDRs) 2 and 3 of the heavy chain and CDRs 1 and 3 of the light chain. These structural features explain why highly similar antibodies (public clonotypes) have been isolated from multiple individuals 1–4 . The structure of COV2-2130 reveals that an unusually long LCDR1 and HCDR3 make interactions with the opposite face of the RBD from that of COV2-2196. Using deep mutational scanning and neutralization escape selection experiments, we comprehensively mapped the critical residues of both antibodies and identified positions of concern for possible viral escape. Nonetheless, both COV2-2196 and COV2-2130 showed strong neutralizing activity against SARS-CoV-2 strain with recent variations of concern including E484K, N501Y, and D614G substitutions. These studies reveal germline-encoded antibody features enabling recognition of the RBD and demonstrate the activity of a cocktail like AZD7442 in preventing escape from emerging variant viruses.

With the emergence of SARS-CoV-2 variants with increased transmissibility and potential resistance, antibodies and vaccines with broadly inhibitory activity are needed. Here we developed a panel of neutralizing anti-SARS-CoV-2 mAbs that bind the receptor binding domain of the spike protein at distinct epitopes and block virus attachment to cells and its receptor, human angiotensin converting enzyme-2 (hACE2). While several potently neutralizing mAbs protected K18-hACE2 transgenic mice against infection caused by historical SARS-CoV-2 strains, others induced escape variants in vivo and lost activity against emerging strains. We identified one mAb, SARS2-38, that potently neutralizes all SARS-CoV-2 variants of concern tested and protects mice against challenge by multiple SARS-CoV-2 strains. Structural analysis showed that SARS2-38 engages a conserved epitope proximal to the receptor binding motif. Thus, treatment with or induction of inhibitory antibodies that bind conserved spike epitopes may limit the loss of potency of therapies or vaccines against emerging SARS-CoV-2 variants.