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 The ongoing SARS-CoV-2 pandemic has brought an urgent need for animal models to study the pathogenicity of the virus. Herein, we generated and characterized a novel mouse-adapted SARS-CoV-2 strain, named MASCp36, that causes severe acute respiratory symptoms and mortality in standard laboratory mice. Particularly, this model exhibits age and gender related skewed distribution of mortality akin to severe COVID-19, and the 50% lethal dose (LD50) of MASCp36 was 58 PFU in 9-month-old, male BALB/c mice. Deep sequencing identified three amino acid substitutions, N501Y, Q493H, and K417N, subsequently emerged at the receptor binding domain (RBD) of MASCp36, during in vivo passaging. All three mutations in RBD significantly enhanced the binding affinity to its endogenous receptor, mouse ACE2 (mACE2). Cryo-electron microscopy (cryo-EM) analysis of human ACE2 (hACE2) or mACE2 in complex with the RBD of MASCp36 at 3.1 to 3.7 angstrom resolution elucidates molecular basis for the receptor-binding switch driven by specific amino acid substitutions. Interestingly, N501Y and Q493H enhanced the binding affinity to human ACE2 (hACE2); while triple mutations N501Y/Q493H/K417N decreased affinity to hACE2, thus led to the reduced infectivity of MASCp36 to human cells. Our study not only provides a robust platform for studying the pathogenesis of severe COVID-19 and rapid evaluation of coutermeasures against SARS-CoV-2, but also unveils the molecular mechanism for the rapid adaption and evolution of SARS-CoV-2 in human and animals. One sentence summary A mouse adapted SARS-CoV-2 strain that harbored specific amino acid substitutions in the RBD of S protein showed 100% mortality in aged, male BALB/c mice.

ABSTRACT Since SARS-CoV-2 Omicron variant (B.1.1.529) was reported in November 2021, it has quickly spread to many countries and outcompeted the globally dominant Delta variant in several countries. The Omicron variant contains the largest number of mutations to date, with 32 mutations located at spike (S) glycoprotein, which raised great concern for its enhanced viral fitness and immune escape [1–4] . In this study, we reported the crystal structure of the receptor binding domain (RBD) of Omicron variant S glycoprotein bound to human ACE2 at a resolution of 2.6 Å. Structural comparison, molecular dynamics simulation and binding free energy calculation collectively identified four key mutations (S477N, G496S, Q498R and N501Y) for the enhanced binding of ACE2 by the Omicron RBD compared to the WT RBD. Representative states of the WT and Omicron RBD-ACE2 systems were identified by Markov State Model, which provides a dynamic explanation for the enhanced binding of Omicron RBD. The effects of the mutations in the RBD for antibody recognition were analyzed, especially for the S371L/S373P/S375F substitutions significantly changing the local conformation of the residing loop to deactivate several class IV neutralizing antibodies.

Abstract SARS-CoV-2 variants of concern (VOCs), especially the latest Omicron, have exhibited severe antibody evasion. Broadly neutralizing antibodies with high potency against Omicron are urgently needed for understanding working mechanisms and developing therapeutic agents. In this study, we characterized previously reported F61, which was isolated from convalescent patients infected with prototype SARS-CoV-2, as a broadly neutralizing antibody against all VOCs including Omicron BA.1, BA.1.1, BA.2, BA.3 and BA.4 sublineages by utilizing antigen binding and cell infection assays. We also identified and characterized another broadly neutralizing antibody D2 with epitope distinct from that of F61. More importantly, we showed that a combination of F61 with D2 exhibited synergy in neutralization and protecting mice from SARS-CoV-2 Delta and Omicron BA.1 variants. Cryo-EM structures of the spike-F61 and spike-D2 binary complexes revealed the distinct epitopes of F61 and D2 at atomic level and the structural basis for neutralization. Cryo-EM structure of the Omicron-spike-F61-D2 ternary complex provides further structural insights into the synergy between F61 and D2. These results collectively indicated F61 and F61-D2 cocktail as promising therapeutic antibodies for combating SARS-CoV-2 variants including diverse Omicron sublineages.