The outbreak of a novel coronavirus (2019-nCoV) represents a pandemic threat that has been declared a public health emergency of international concern. The CoV spike (S) glycoprotein is a key target for vaccines, therapeutic antibodies, and diagnostics. To facilitate medical countermeasure development, we determined a 3.5-angstrom-resolution cryo–electron microscopy structure of the 2019-nCoV S trimer in the prefusion conformation. The predominant state of the trimer has one of the three receptor-binding domains (RBDs) rotated up in a receptor-accessible conformation. We also provide biophysical and structural evidence that the 2019-nCoV S protein binds angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) with higher affinity than does severe acute respiratory syndrome (SARS)-CoV S. Additionally, we tested several published SARS-CoV RBD-specific monoclonal antibodies and found that they do not have appreciable binding to 2019-nCoV S, suggesting that antibody cross-reactivity may be limited between the two RBDs. The structure of 2019-nCoV S should enable the rapid development and evaluation of medical countermeasures to address the ongoing public health crisis.

The severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) emerged in late 2019 and spread globally, prompting an international effort to accelerate development of a vaccine. The candidate vaccine mRNA-1273 encodes the stabilized prefusion SARS-CoV-2 spike protein.We conducted a phase 1, dose-escalation, open-label trial including 45 healthy adults, 18 to 55 years of age, who received two vaccinations, 28 days apart, with mRNA-1273 in a dose of 25 μg, 100 μg, or 250 μg. There were 15 participants in each dose group.After the first vaccination, antibody responses were higher with higher dose (day 29 enzyme-linked immunosorbent assay anti-S-2P antibody geometric mean titer [GMT], 40,227 in the 25-μg group, 109,209 in the 100-μg group, and 213,526 in the 250-μg group). After the second vaccination, the titers increased (day 57 GMT, 299,751, 782,719, and 1,192,154, respectively). After the second vaccination, serum-neutralizing activity was detected by two methods in all participants evaluated, with values generally similar to those in the upper half of the distribution of a panel of control convalescent serum specimens. Solicited adverse events that occurred in more than half the participants included fatigue, chills, headache, myalgia, and pain at the injection site. Systemic adverse events were more common after the second vaccination, particularly with the highest dose, and three participants (21%) in the 250-μg dose group reported one or more severe adverse events.The mRNA-1273 vaccine induced anti-SARS-CoV-2 immune responses in all participants, and no trial-limiting safety concerns were identified. These findings support further development of this vaccine. (Funded by the National Institute of Allergy and Infectious Diseases and others; mRNA-1273 ClinicalTrials.gov number, NCT04283461).

Testing of vaccine candidates to prevent infection with severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) in an older population is important, since increased incidences of illness and death from coronavirus disease 2019 (Covid-19) have been associated with an older age.We conducted a phase 1, dose-escalation, open-label trial of a messenger RNA vaccine, mRNA-1273, which encodes the stabilized prefusion SARS-CoV-2 spike protein (S-2P) in healthy adults. The trial was expanded to include 40 older adults, who were stratified according to age (56 to 70 years or ≥71 years). All the participants were assigned sequentially to receive two doses of either 25 μg or 100 μg of vaccine administered 28 days apart.Solicited adverse events were predominantly mild or moderate in severity and most frequently included fatigue, chills, headache, myalgia, and pain at the injection site. Such adverse events were dose-dependent and were more common after the second immunization. Binding-antibody responses increased rapidly after the first immunization. By day 57, among the participants who received the 25-μg dose, the anti-S-2P geometric mean titer (GMT) was 323,945 among those between the ages of 56 and 70 years and 1,128,391 among those who were 71 years of age or older; among the participants who received the 100-μg dose, the GMT in the two age subgroups was 1,183,066 and 3,638,522, respectively. After the second immunization, serum neutralizing activity was detected in all the participants by multiple methods. Binding- and neutralizing-antibody responses appeared to be similar to those previously reported among vaccine recipients between the ages of 18 and 55 years and were above the median of a panel of controls who had donated convalescent serum. The vaccine elicited a strong CD4 cytokine response involving type 1 helper T cells.In this small study involving older adults, adverse events associated with the mRNA-1273 vaccine were mainly mild or moderate. The 100-μg dose induced higher binding- and neutralizing-antibody titers than the 25-μg dose, which supports the use of the 100-μg dose in a phase 3 vaccine trial. (Funded by the National Institute of Allergy and Infectious Diseases and others; mRNA-1273 Study ClinicalTrials.gov number, NCT04283461.).

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.

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.).

A 4.0 Å resolution cryo-electron microscopy structure of the pre-fusion form of the trimeric spike from the human coronavirus HKU1 provides insight into how the spike protein mediates host-cell attachment and membrane fusion. Coronaviruses are responsible for respiratory infections worldwide, many of them mild, but also including severe pneumonia and the recent SARS and MERS outbreaks. The entry of coronaviruses into cells is mediated by the virus glycoprotein spike trimer, which contains the receptor-binding domain, as well as membrane fusion domains. Two papers published in this issue of Nature provide high-resolution (4Å) cryo-electron microscopy structures of pre-fusion coronavirus spike trimers. David Veesler and colleagues studied the trimer from murine hepatitis virus; Andrew Ward and colleagues used the human betacoronavirus HKU1, a cause of mild respiratory disease. The structures reveal mechanistic insights into the viral fusion process and architectural similarities to paramyxovirus F proteins, suggesting that these fusion proteins may have evolved from a distant common ancestor. HKU1 is a human betacoronavirus that causes mild yet prevalent respiratory disease1, and is related to the zoonotic SARS2 and MERS3 betacoronaviruses, which have high fatality rates and pandemic potential. Cell tropism and host range is determined in part by the coronavirus spike (S) protein4, which binds cellular receptors and mediates membrane fusion. As the largest known class I fusion protein, its size and extensive glycosylation have hindered structural studies of the full ectodomain, thus preventing a molecular understanding of its function and limiting development of effective interventions. Here we present the 4.0 Å resolution structure of the trimeric HKU1 S protein determined using single-particle cryo-electron microscopy. In the pre-fusion conformation, the receptor-binding subunits, S1, rest above the fusion-mediating subunits, S2, preventing their conformational rearrangement. Surprisingly, the S1 C-terminal domains are interdigitated and form extensive quaternary interactions that occlude surfaces known in other coronaviruses to bind protein receptors. These features, along with the location of the two protease sites known to be important for coronavirus entry, provide a structural basis to support a model of membrane fusion mediated by progressive S protein destabilization through receptor binding and proteolytic cleavage. These studies should also serve as a foundation for the structure-based design of betacoronavirus vaccine immunogens.

Coronaviruses make use of a large envelope protein called spike (S) to engage host cell receptors and catalyze membrane fusion. Because of the vital role that these S proteins play, they represent a vulnerable target for the development of therapeutics. Here, we describe the isolation of single-domain antibodies (VHHs) from a llama immunized with prefusion-stabilized coronavirus spikes. These VHHs neutralize MERS-CoV or SARS-CoV-1 S pseudotyped viruses, respectively. Crystal structures of these VHHs bound to their respective viral targets reveal two distinct epitopes, but both VHHs interfere with receptor binding. We also show cross-reactivity between the SARS-CoV-1 S-directed VHH and SARS-CoV-2 S and demonstrate that this cross-reactive VHH neutralizes SARS-CoV-2 S pseudotyped viruses as a bivalent human IgG Fc-fusion. These data provide a molecular basis for the neutralization of pathogenic betacoronaviruses by VHHs and suggest that these molecules may serve as useful therapeutics during coronavirus outbreaks.

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.

Abstract Severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV) emerged in 2002 as a highly transmissible pathogenic human betacoronavirus. The viral spike glycoprotein (S) utilizes angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) as a host protein receptor and mediates fusion of the viral and host membranes, making S essential to viral entry into host cells and host species tropism. As SARS-CoV enters host cells, the viral S is believed to undergo a number of conformational transitions as it is cleaved by host proteases and binds to host receptors. We recently developed stabilizing mutations for coronavirus spikes that prevent the transition from the pre-fusion to post-fusion states. Here, we present cryo-EM analyses of a stabilized trimeric SARS-CoV S, as well as the trypsin-cleaved, stabilized S, and its interactions with ACE2. Neither binding to ACE2 nor cleavage by trypsin at the S1/S2 cleavage site impart large conformational changes within stabilized SARS-CoV S or expose the secondary cleavage site, S2′.