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 pandemic caused by emerging coronavirus SARS-CoV-2 presents a serious global public health emergency in urgent need of prophylactic and therapeutic interventions. SARS-CoV-2 cellular entry depends on binding between the viral Spike protein receptor-binding domain (RBD) and the angiotensin converting enzyme 2 (ACE2) target cell receptor. Here, we report on the isolation and characterization of 206 RBD-specific monoclonal antibodies (mAbs) derived from single B cells of eight SARS-CoV-2 infected individuals. These mAbs come from diverse families of antibody heavy and light chains without apparent enrichment for particular families in the repertoire. In samples from one patient selected for further analyses, we found coexistence of germline and germline divergent clones. Both clone types demonstrated impressive binding and neutralizing activity against pseudovirus and live SARS-CoV-2. However, the antibody neutralizing potency is determined by competition with ACE2 receptor for RBD binding. Surprisingly, none of the SARS-CoV-2 antibodies nor the infected plasma cross-reacted with RBDs from either SARS-CoV or MERS-CoV although substantial plasma cross-reactivity to the trimeric Spike proteins from SARS-CoV and MERS-CoV was found. These results suggest that antibody response to RBDs is viral species-specific while that cross-recognition target regions outside the RBD. The specificity and neutralizing characteristics of this plasma cross-reactivity requires further investigation. Nevertheless, the diverse and potent neutralizing antibodies identified here are promising candidates for prophylactic and therapeutic SARS-CoV-2 interventions.

Abstract Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) and its emerging variants of concern (VOC), such as Delta (B.1.617.2) and Omicron (B.1.1.529), has continued to drive the worldwide pandemic. Therefore, there is a high demand for vaccines with enhanced efficacy, high thermostability, superior design flexibility, and fast manufacturing speed. Here, we report a circular RNA (circRNA) vaccine that encodes the trimeric RBD of SARS-CoV-2 Spike protein. Without the need of nucleotide modification, 5’-capping or 3’-polyadenylation, circRNA could be rapidly produced via in vitro transcription and is highly thermostable whether stored in naked or lipid-nanoparticle (LNP)-encapsulated format. LNP-encapsulated circRNA RBD elicited potent neutralizing antibodies and T cell responses, providing robust protection against Beta (B.1.351) and native viruses in mice and rhesus macaques, respectively. Notably, circRNA vaccine enabled higher and more durable antigen production than 1mΨ-modified mRNA vaccine, eliciting a higher proportion of neutralizing antibodies and stronger Th1-biased immune responses. Importantly, we found that circRNA RBD-Omicron vaccine induced effective neutralizing antibodies against only Omicron but not Delta variant. By contrast, circRNA RBD-Delta could elicit high level of neutralizing antibodies against both Delta and Omicron. Following two doses of either native- or Delta-specific vaccination, circRNA RBD-Delta , but not Omicron or Beta vaccines, could effectively boost the neutralizing antibodies against both Delta and Omicron variants. These results suggest that circRNA RBD-Delta is a favorable choice for vaccination to provide a broad-spectrum protection against the current variants of concern of SARS-CoV-2.

Abstract Multiple BA.4 and BA.5 subvariants with R346 mutations on the spike glycoprotein have been identified in various countries, such as BA.4.6/BF.7 harboring R346T, BA.4.7 harboring R346S, and BA.5.9 harboring R346I. These subvariants, especially BA.4.6, exhibit substantial growth advantages compared to BA.4/BA.5. In this study, we showed that BA.4.6, BA.4.7, and BA.5.9 displayed higher humoral immunity evasion capability than BA.4/BA.5, causing 1.5 to 1.9-fold decrease in NT50 of the plasma from BA.1 and BA.2 breakthrough-infection convalescents compared to BA.4/BA.5. Importantly, plasma from BA.5 breakthrough-infection convalescents also exhibits significant neutralization activity decrease against BA.4.6, BA.4.7, and BA.5.9 than BA.4/BA.5, showing on average 2.4 to 2.6-fold decrease in NT50. For neutralizing antibody drugs, Bebtelovimab remains potent, while Evusheld is completely escaped by these subvariants. Together, our results rationalize the prevailing advantages of the R346 mutated BA.4/BA.5 subvariants and urge the close monitoring of these mutants, which could lead to the next wave of the pandemic.

Abstract There is an urgent need for efficient and safe vaccines against the monkeypox virus (MPXV) in response to the rapidly spreading monkeypox epidemic. In the age of COVID-19, mRNA vaccines have been highly successful and emerged as platforms enabling rapid development and large-scale preparation. Here, we have developed two MPXV quadrivalent mRNA vaccines, named mRNA-A-LNP and mRNA-B-LNP, based on two IMVs (A29L and M1R) and two EEVs (A35R and B6R). By administering mRNA-A-LNP and mRNA-B-LNP intramuscularly twice, mice have induced MPXV-specific IgG antibodies and potent Vaccinia virus (VACV)-specific neutralizing antibodies. Additionally, it elicited durable MPXV-specific killer memory T-cell immunity as well as memory B-cell immunity in mice. Furthermore, the passive transfer of sera from mRNA-A-LNP and mRNA-B-LNP-immunized mice protected nude mice against the VACV challenge. In addition, two doses of mRNA-A-LNP and mRNA-B-LNP were also protective against the VACV challenge in mice. Overall, our results demonstrated that mRNA-A-LNP and mRNA-B-LNP appear to be safe and effective vaccine candidates against monkeypox epidemics, as well as against outbreaks caused by other orthopoxviruses, including the smallpox virus.

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 Selective pressures have given rise to a number of SARS-CoV-2 variants during the prolonged course of the COVID-19 pandemic. Recently evolved variants differ from ancestors in additional glycosylation within the spike protein receptor-binding domain (RBD). Details of how the acquisition of glycosylation impacts viral fitness and human adaptation are not clearly understood. Here, we dissected the role of N354-linked glycosylation, acquired by BA.2.86 sub-lineages, as a RBD conformational control element in attenuating viral infectivity. The reduced infectivity is recovered in the presence of heparin sulfate, which targets the ‘N354 pocket’ to ease restrictions of conformational transition resulting in a ‘RBD-up’ state, thereby conferring an adjustable infectivity. Furthermore, N354 glycosylation improved spike cleavage and cell–cell fusion, and in particular escaped one subset of ADCC antibodies. Together with reduced immunogenicity in hybrid immunity background, these indicate a single spike amino acid glycosylation event provides selective advantage in humans through multiple mechanisms.

Summary Receptor recognition and subsequent membrane fusion are essential for the establishment of successful infection by SARS-CoV-2. Halting these steps can cure COVID-19. Here we have identified and characterized a potent human monoclonal antibody, HB27, that blocks SARS-CoV-2 attachment to its cellular receptor at sub-nM concentrations. Remarkably, HB27 can also prevent SARS-CoV-2 membrane fusion. Consequently, a single dose of HB27 conferred effective protection against SARS-CoV-2 in two established mouse models. Rhesus macaques showed no obvious adverse events when administrated with 10-fold of effective dose of HB27. Cryo-EM studies on complex of SARS-CoV-2 trimeric S with HB27 Fab reveal that three Fab fragments work synergistically to occlude SARS-CoV-2 from binding to ACE2 receptor. Binding of the antibody also restrains any further conformational changes of the RBD, possibly interfering with progression from the prefusion to the postfusion stage. These results suggest that HB27 is a promising candidate for immuno-therapies against COVID-19. Highlights SARS-CoV-2 specific antibody, HB27, blocks viral receptor binding and membrane fusion HB27 confers prophylactic and therapeutic protection against SARS-CoV-2 in mice models Rhesus macaques showed no adverse side effects when administered with HB27 Cryo-EM studies suggest that HB27 sterically occludes SARS-CoV-2 from its receptor

Abstract Omicron, the most heavily mutated SARS-CoV-2 variant so far, is highly resistant to neutralizing antibodies, raising unprecedented concerns about the effectiveness of antibody therapies and vaccines. We examined whether sera from individuals who received two or three doses of inactivated vaccine, could neutralize authentic Omicron. The seroconversion rates of neutralizing antibodies were 3.3% (2/60) and 95% (57/60) for 2- and 3-dose vaccinees, respectively. For three-dose recipients, the geometric mean neutralization antibody titer (GMT) of Omicron was 15, 16.5-fold lower than that of the ancestral virus (254). We isolated 323 human monoclonal antibodies derived from memory B cells in 3-dose vaccinees, half of which recognize the receptor binding domain (RBD) and show that a subset of them (24/163) neutralize all SARS-CoV-2 variants of concern (VOCs), including Omicron, potently. Therapeutic treatments with representative broadly neutralizing mAbs individually or antibody cocktails were highly protective against SARS-CoV-2 Beta infection in mice. Atomic structures of the Omicron S in complex with three types of all five VOC-reactive antibodies defined the binding and neutralizing determinants and revealed a key antibody escape site, G446S, that confers greater resistance to one major class of antibodies bound at the right shoulder of RBD through altering local conformation at the binding interface. Our results rationalize the use of 3-dose immunization regimens and suggest that the fundamental epitopes revealed by these broadly ultrapotent antibodies are a rational target for a universal sarbecovirus vaccine. One sentence summary A sub-set of antibodies derived from memory B cells of volunteers vaccinated with 3 doses of an inactivated SARS-CoV-2 vaccine work individually as well as synergistically to keep variants, including Omicron, at bay.