The spike protein of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is critical for virus infection through the engagement of the human ACE2 protein1 and is a major antibody target. Here we show that chronic infection with SARS-CoV-2 leads to viral evolution and reduced sensitivity to neutralizing antibodies in an immunosuppressed individual treated with convalescent plasma, by generating whole-genome ultra-deep sequences for 23 time points that span 101 days and using in vitro techniques to characterize the mutations revealed by sequencing. There was little change in the overall structure of the viral population after two courses of remdesivir during the first 57 days. However, after convalescent plasma therapy, we observed large, dynamic shifts in the viral population, with the emergence of a dominant viral strain that contained a substitution (D796H) in the S2 subunit and a deletion (ΔH69/ΔV70) in the S1 N-terminal domain of the spike protein. As passively transferred serum antibodies diminished, viruses with the escape genotype were reduced in frequency, before returning during a final, unsuccessful course of convalescent plasma treatment. In vitro, the spike double mutant bearing both ΔH69/ΔV70 and D796H conferred modestly decreased sensitivity to convalescent plasma, while maintaining infectivity levels that were similar to the wild-type virus.The spike substitution mutant D796H appeared to be the main contributor to the decreased susceptibility to neutralizing antibodies, but this mutation resulted in an infectivity defect. The spike deletion mutant ΔH69/ΔV70 had a twofold higher level of infectivity than wild-type SARS-CoV-2, possibly compensating for the reduced infectivity of the D796H mutation. These data reveal strong selection on SARS-CoV-2 during convalescent plasma therapy, which is associated with the emergence of viral variants that show evidence of reduced susceptibility to neutralizing antibodies in immunosuppressed individuals. Chronic infection with SARS-CoV-2 leads to the emergence of viral variants that show reduced susceptibility to neutralizing antibodies in an immunosuppressed individual treated with convalescent plasma.

Abstract The SARS-CoV-2 Omicron BA.1 variant emerged in 2021 1 and has multiple mutations in its spike protein 2 . Here we show that the spike protein of Omicron has a higher affinity for ACE2 compared with Delta, and a marked change in its antigenicity increases Omicron’s evasion of therapeutic monoclonal and vaccine-elicited polyclonal neutralizing antibodies after two doses. mRNA vaccination as a third vaccine dose rescues and broadens neutralization. Importantly, the antiviral drugs remdesivir and molnupiravir retain efficacy against Omicron BA.1. Replication was similar for Omicron and Delta virus isolates in human nasal epithelial cultures. However, in lung cells and gut cells, Omicron demonstrated lower replication. Omicron spike protein was less efficiently cleaved compared with Delta. The differences in replication were mapped to the entry efficiency of the virus on the basis of spike-pseudotyped virus assays. The defect in entry of Omicron pseudotyped virus to specific cell types effectively correlated with higher cellular RNA expression of TMPRSS2 , and deletion of TMPRSS2 affected Delta entry to a greater extent than Omicron. Furthermore, drug inhibitors targeting specific entry pathways 3 demonstrated that the Omicron spike inefficiently uses the cellular protease TMPRSS2, which promotes cell entry through plasma membrane fusion, with greater dependency on cell entry through the endocytic pathway. Consistent with suboptimal S1/S2 cleavage and inability to use TMPRSS2, syncytium formation by the Omicron spike was substantially impaired compared with the Delta spike. The less efficient spike cleavage of Omicron at S1/S2 is associated with a shift in cellular tropism away from TMPRSS2-expressing cells, with implications for altered pathogenesis.

Transmission of SARS-CoV-2 is uncontrolled in many parts of the world; control is compounded in some areas by the higher transmission potential of the B.1.1.7 variant1, which has now been reported in 94 countries. It is unclear whether the response of the virus to vaccines against SARS-CoV-2 on the basis of the prototypic strain will be affected by the mutations found in B.1.1.7. Here we assess the immune responses of individuals after vaccination with the mRNA-based vaccine BNT162b22. We measured neutralizing antibody responses after the first and second immunizations using pseudoviruses that expressed the wild-type spike protein or a mutated spike protein that contained the eight amino acid changes found in the B.1.1.7 variant. The sera from individuals who received the vaccine exhibited a broad range of neutralizing titres against the wild-type pseudoviruses that were modestly reduced against the B.1.1.7 variant. This reduction was also evident in sera from some patients who had recovered from COVID-19. Decreased neutralization of the B.1.1.7 variant was also observed for monoclonal antibodies that target the N-terminal domain (9 out of 10) and the receptor-binding motif (5 out of 31), but not for monoclonal antibodies that recognize the receptor-binding domain that bind outside the receptor-binding motif. Introduction of the mutation that encodes the E484K substitution in the B.1.1.7 background to reflect a newly emerged variant of concern (VOC 202102/02) led to a more-substantial loss of neutralizing activity by vaccine-elicited antibodies and monoclonal antibodies (19 out of 31) compared with the loss of neutralizing activity conferred by the mutations in B.1.1.7 alone. The emergence of the E484K substitution in a B.1.1.7 background represents a threat to the efficacy of the BNT162b2 vaccine. Sera from vaccinated individuals and some monoclonal antibodies show a modest reduction in neutralizing activity against the B.1.1.7 variant of SARS-CoV-2; but the E484K substitution leads to a considerable loss of neutralizing activity.

Abstract Although two-dose mRNA vaccination provides excellent protection against SARS-CoV-2, there is little information about vaccine efficacy against variants of concern (VOC) in individuals above eighty years of age 1 . Here we analysed immune responses following vaccination with the BNT162b2 mRNA vaccine 2 in elderly participants and younger healthcare workers. Serum neutralization and levels of binding IgG or IgA after the first vaccine dose were lower in older individuals, with a marked drop in participants over eighty years old. Sera from participants above eighty showed lower neutralization potency against the B.1.1.7 (Alpha), B.1.351 (Beta) and P.1. (Gamma) VOC than against the wild-type virus and were more likely to lack any neutralization against VOC following the first dose. However, following the second dose, neutralization against VOC was detectable regardless of age. The frequency of SARS-CoV-2 spike-specific memory B cells was higher in elderly responders (whose serum showed neutralization activity) than in non-responders after the first dose. Elderly participants showed a clear reduction in somatic hypermutation of class-switched cells. The production of interferon-γ and interleukin-2 by SARS-CoV-2 spike-specific T cells was lower in older participants, and both cytokines were secreted primarily by CD4 T cells. We conclude that the elderly are a high-risk population and that specific measures to boost vaccine responses in this population are warranted, particularly where variants of concern are circulating.