A vaccine for severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is needed to control the coronavirus disease 2019 (COVID-19) global pandemic. Structural studies have led to the development of mutations that stabilize Betacoronavirus spike proteins in the prefusion state, improving their expression and increasing immunogenicity1. This principle has been applied to design mRNA-1273, an mRNA vaccine that encodes a SARS-CoV-2 spike protein that is stabilized in the prefusion conformation. Here we show that mRNA-1273 induces potent neutralizing antibody responses to both wild-type (D614) and D614G mutant2 SARS-CoV-2 as well as CD8+ T cell responses, and protects against SARS-CoV-2 infection in the lungs and noses of mice without evidence of immunopathology. mRNA-1273 is currently in a phase III trial to evaluate its efficacy. mRNA-1273, an mRNA vaccine that encodes a stabilized prefusion-state severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) spike protein, elicits robust immune responses and protects mice against replication of SARS-CoV-2 in the upper and lower airways.

Designer Anti-HIV Developing a protective HIV vaccine remains a top global health priority. One strategy to identify potential vaccine candidates is to isolate broadly neutralizing antibodies from infected individuals and then attempt to elicit the same antibody response through vaccination (see the Perspective by Burton and Weiss ). Wu et al. (p. 856 , published online 8 July) now report the identification of three broadly neutralizing antibodies, isolated from an HIV-1–infected individual, that exhibited great breadth and potency of neutralization and were specific for the co-receptor CD4-binding site of the glycoprotein 120 (gp120), part of the viral Env spike. Zhou et al. (p. 811 , published online 8 July) analyzed the crystal structure for one of these antibodies, VRC01, in complex with an HIV-1 gp120. VRC01 focuses its binding onto a conformationally invariant domain that is the site of initial CD4 attachment, which allows the antibody to overcome the glycan and conformational masking that diminishes the neutralization potency of most CD4-binding-site antibodies. The epitopes recognized by these antibodies suggest potential immunogens that can inform vaccine design.

Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV) is a lineage C betacoronavirus that since its emergence in 2012 has caused outbreaks in human populations with case-fatality rates of ∼36%. As in other coronaviruses, the spike (S) glycoprotein of MERS-CoV mediates receptor recognition and membrane fusion and is the primary target of the humoral immune response during infection. Here we use structure-based design to develop a generalizable strategy for retaining coronavirus S proteins in the antigenically optimal prefusion conformation and demonstrate that our engineered immunogen is able to elicit high neutralizing antibody titers against MERS-CoV. We also determined high-resolution structures of the trimeric MERS-CoV S ectodomain in complex with G4, a stem-directed neutralizing antibody. The structures reveal that G4 recognizes a glycosylated loop that is variable among coronaviruses and they define four conformational states of the trimer wherein each receptor-binding domain is either tightly packed at the membrane-distal apex or rotated into a receptor-accessible conformation. Our studies suggest a potential mechanism for fusion initiation through sequential receptor-binding events and provide a foundation for the structure-based design of coronavirus vaccines.

Vaccines to prevent coronavirus disease 2019 (Covid-19) are urgently needed. The effect of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) vaccines on viral replication in both upper and lower airways is important to evaluate in nonhuman primates.Nonhuman primates received 10 or 100 μg of mRNA-1273, a vaccine encoding the prefusion-stabilized spike protein of SARS-CoV-2, or no vaccine. Antibody and T-cell responses were assessed before upper- and lower-airway challenge with SARS-CoV-2. Active viral replication and viral genomes in bronchoalveolar-lavage (BAL) fluid and nasal swab specimens were assessed by polymerase chain reaction, and histopathological analysis and viral quantification were performed on lung-tissue specimens.The mRNA-1273 vaccine candidate induced antibody levels exceeding those in human convalescent-phase serum, with live-virus reciprocal 50% inhibitory dilution (ID50) geometric mean titers of 501 in the 10-μg dose group and 3481 in the 100-μg dose group. Vaccination induced type 1 helper T-cell (Th1)-biased CD4 T-cell responses and low or undetectable Th2 or CD8 T-cell responses. Viral replication was not detectable in BAL fluid by day 2 after challenge in seven of eight animals in both vaccinated groups. No viral replication was detectable in the nose of any of the eight animals in the 100-μg dose group by day 2 after challenge, and limited inflammation or detectable viral genome or antigen was noted in lungs of animals in either vaccine group.Vaccination of nonhuman primates with mRNA-1273 induced robust SARS-CoV-2 neutralizing activity, rapid protection in the upper and lower airways, and no pathologic changes in the lung. (Funded by the National Institutes of Health and others.).

Broadly neutralizing antibodies to HIV with similar specificities can be found in multiple HIV-infected individuals.

Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) mutations may diminish vaccine-induced protective immune responses, particularly as antibody titers wane over time. Here, we assess the effect of SARS-CoV-2 variants B.1.1.7 (Alpha), B.1.351 (Beta), P.1 (Gamma), B.1.429 (Epsilon), B.1.526 (Iota), and B.1.617.2 (Delta) on binding, neutralizing, and angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2)–competing antibodies elicited by the messenger RNA (mRNA) vaccine mRNA-1273 over 7 months. Cross-reactive neutralizing responses were rare after a single dose. At the peak of response to the second vaccine dose, all individuals had responses to all variants. Binding and functional antibodies against variants persisted in most subjects, albeit at low levels, for 6 months after the primary series of the mRNA-1273 vaccine. Across all assays, B.1.351 had the lowest antibody recognition. These data complement ongoing studies to inform the potential need for additional boost vaccinations.

Antibodies block Ebola virus entry The recent Ebola virus outbreak in West Africa illustrates the need for both an effective vaccine and therapies to treat infected individuals. Corti et al. isolated two monoclonal antibodies from a survivor of the 1995 Kikwit outbreak and demonstrated their therapeutic efficacy in Ebola virus–infected macaques. In fact, one antibody protected macaques when it was given up to 5 days after infection. Misasi et al. solved the crystal structures of fragments of the two antibodies bound to the Ebola virus glycoprotein (GP), which mediates viral cell entry. The two antibodies targeted different regions of GP, but in both cases blocked steps required for viral entry. Science , this issue pp. 1339 & 1343

Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2)-neutralizing monoclonal antibodies (mAbs) can reduce the risk of hospitalization from coronavirus disease 2019 (COVID-19) when administered early. However, SARS-CoV-2 variants of concern (VOCs) have negatively affected therapeutic use of some authorized mAbs. Using a high-throughput B cell screening pipeline, we isolated LY-CoV1404 (bebtelovimab), a highly potent SARS-CoV-2 spike glycoprotein receptor binding domain (RBD)-specific antibody. LY-CoV1404 potently neutralizes authentic SARS-CoV-2, B.1.1.7, B.1.351, and B.1.617.2. In pseudovirus neutralization studies, LY-CoV1404 potently neutralizes variants, including B.1.1.7, B.1.351, B.1.617.2, B.1.427/B.1.429, P.1, B.1.526, B.1.1.529, and the BA.2 subvariant. Structural analysis reveals that the contact residues of the LY-CoV1404 epitope are highly conserved, except for N439 and N501. The binding and neutralizing activity of LY-CoV1404 is unaffected by the most common mutations at these positions (N439K and N501Y). The broad and potent neutralization activity and the relatively conserved epitope suggest that LY-CoV1404 has the potential to be an effective therapeutic agent to treat all known variants.

The SARS-CoV-2 spike employs mobile receptor-binding domains (RBDs) to engage the human ACE2 receptor and to facilitate virus entry, which can occur through low-pH-endosomal pathways. To understand how ACE2 binding and low pH affect spike conformation, we determined cryo-electron microscopy structures—at serological and endosomal pH—delineating spike recognition of up to three ACE2 molecules. RBDs freely adopted "up" conformations required for ACE2 interaction, primarily through RBD movement combined with smaller alterations in neighboring domains. In the absence of ACE2, single-RBD-up conformations dominated at pH 5.5, resolving into a solitary all-down conformation at lower pH. Notably, a pH-dependent refolding region (residues 824–858) at the spike-interdomain interface displayed dramatic structural rearrangements and mediated RBD positioning through coordinated movements of the entire trimer apex. These structures provide a foundation for understanding prefusion-spike mechanics governing endosomal entry; we suggest that the low pH all-down conformation potentially facilitates immune evasion from RBD-up binding antibody.

Abstract The emergence of Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV) as a cause of severe respiratory disease highlights the need for effective approaches to CoV vaccine development. Efforts focused solely on the receptor-binding domain (RBD) of the viral Spike (S) glycoprotein may not optimize neutralizing antibody (NAb) responses. Here we show that immunogens based on full-length S DNA and S1 subunit protein elicit robust serum-neutralizing activity against several MERS-CoV strains in mice and non-human primates. Serological analysis and isolation of murine monoclonal antibodies revealed that immunization elicits NAbs to RBD and, non-RBD portions of S1 and S2 subunit. Multiple neutralization mechanisms were demonstrated by solving the atomic structure of a NAb-RBD complex, through sequencing of neutralization escape viruses and by constructing MERS-CoV S variants for serological assays. Immunization of rhesus macaques confers protection against MERS-CoV-induced radiographic pneumonia, as assessed using computerized tomography, supporting this strategy as a promising approach for MERS-CoV vaccine development.