The B.1.1.529/Omicron variant of SARS-CoV-2 was only recently detected in southern Africa, but its subsequent spread has been extensive, both regionally and globally1. It is expected to become dominant in the coming weeks2, probably due to enhanced transmissibility. A striking feature of this variant is the large number of spike mutations3 that pose a threat to the efficacy of current COVID-19 vaccines and antibody therapies4. This concern is amplified by the findings of our study. Here we found that B.1.1.529 is markedly resistant to neutralization by serum not only from patients who recovered from COVID-19, but also from individuals who were vaccinated with one of the four widely used COVID-19 vaccines. Even serum from individuals who were vaccinated and received a booster dose of mRNA-based vaccines exhibited substantially diminished neutralizing activity against B.1.1.529. By evaluating a panel of monoclonal antibodies against all known epitope clusters on the spike protein, we noted that the activity of 17 out of the 19 antibodies tested were either abolished or impaired, including ones that are currently authorized or approved for use in patients. Moreover, we also identified four new spike mutations (S371L, N440K, G446S and Q493R) that confer greater antibody resistance on B.1.1.529. The Omicron variant presents a serious threat to many existing COVID-19 vaccines and therapies, compelling the development of new interventions that anticipate the evolutionary trajectory of SARS-CoV-2. The B.1.1.529/Omicron variant of SARS-CoV-2 is resistant to neutralization by serum not only from patients who recovered from COVID-19, but also from individuals vaccinated with one of the four widely used COVID-19 vaccines.

Abstract SARS-CoV-2 Omicron subvariants BA.2.12.1 and BA.4/5 have surged notably to become dominant in the United States and South Africa, respectively 1,2 . These new subvariants carrying further mutations in their spike proteins raise concerns that they may further evade neutralizing antibodies, thereby further compromising the efficacy of COVID-19 vaccines and therapeutic monoclonals. We now report findings from a systematic antigenic analysis of these surging Omicron subvariants. BA.2.12.1 is only modestly (1.8-fold) more resistant to sera from vaccinated and boosted individuals than BA.2. However, BA.4/5 is substantially (4.2-fold) more resistant and thus more likely to lead to vaccine breakthrough infections. Mutation at spike residue L452 found in both BA.2.12.1 and BA.4/5 facilitates escape from some antibodies directed to the so-called class 2 and 3 regions of the receptor-binding domain 3 . The F486V mutation found in BA.4/5 facilitates escape from certain class 1 and 2 antibodies but compromises the spike affinity for the viral receptor. The R493Q reversion mutation, however, restores receptor affinity and consequently the fitness of BA.4/5. Among therapeutic antibodies authorized for clinical use, only bebtelovimab retains full potency against both BA.2.12.1 and BA.4/5. The Omicron lineage of SARS-CoV-2 continues to evolve, successively yielding subvariants that are not only more transmissible but also more evasive to antibodies.

Highlights•P.1 is refractory to multiple neutralizing mAbs, including three out of the four with EUA•P.1 is relatively resistant to neutralization by convalescent plasma and vaccinee sera•Cryo-EM structure of P.1 spike trimer reveals exclusively one-RBD-up conformationSummaryThe emergence of SARS-CoV-2 variants has raised concerns about altered sensitivity to antibody-mediated immunity. The relative resistance of SARS-CoV-2 variants B.1.1.7 and B.1.351 to antibody neutralization has been recently investigated. We report that another emergent variant from Brazil, P.1, is not only refractory to multiple neutralizing monoclonal antibodies but also more resistant to neutralization by convalescent plasma and vaccinee sera. The magnitude of resistance is greater for monoclonal antibodies than vaccinee sera and evident with both pseudovirus and authentic P.1 virus. The cryoelectron microscopy structure of a soluble prefusion-stabilized spike reveals that the P.1 trimer adopts exclusively a conformation in which one of the receptor-binding domains is in the "up" position, which is known to facilitate binding to entry receptor ACE2. The functional impact of P.1 mutations thus appears to arise from local changes instead of global conformational alterations. The P.1 variant threatens current antibody therapies but less so protective vaccine efficacy.Graphical abstract

Numerous antibodies that neutralize SARS-CoV-2 have been identified, and these generally target either the receptor-binding domain (RBD) or the N-terminal domain (NTD) of the viral spike. While RBD-directed antibodies have been extensively studied, far less is known about NTD-directed antibodies. Here, we report cryo-EM and crystal structures for seven potent NTD-directed neutralizing antibodies in complex with spike or isolated NTD. These structures defined several antibody classes, with at least one observed in multiple convalescent donors. The structures revealed that all seven antibodies target a common surface, bordered by glycans N17, N74, N122, and N149. This site—formed primarily by a mobile β-hairpin and several flexible loops—was highly electropositive, located at the periphery of the spike, and the largest glycan-free surface of NTD facing away from the viral membrane. Thus, in contrast to neutralizing RBD-directed antibodies that recognize multiple non-overlapping epitopes, potent NTD-directed neutralizing antibodies appear to target a single supersite.

Abstract Since the start of the COVID-19 pandemic, SARS-CoV-2 has caused millions of deaths worldwide. Although a number of vaccines have been deployed, the continual evolution of the receptor-binding domain (RBD) of the virus has challenged their efficacy. In particular, the emerging variants B.1.1.7, B.1.351 and P.1 (first detected in the UK, South Africa and Brazil, respectively) have compromised the efficacy of sera from patients who have recovered from COVID-19 and immunotherapies that have received emergency use authorization 1–3 . One potential alternative to avert viral escape is the use of camelid VHHs (variable heavy chain domains of heavy chain antibody (also known as nanobodies)), which can recognize epitopes that are often inaccessible to conventional antibodies 4 . Here, we isolate anti-RBD nanobodies from llamas and from mice that we engineered to produce VHHs cloned from alpacas, dromedaries and Bactrian camels. We identified two groups of highly neutralizing nanobodies. Group 1 circumvents antigenic drift by recognizing an RBD region that is highly conserved in coronaviruses but rarely targeted by human antibodies. Group 2 is almost exclusively focused to the RBD–ACE2 interface and does not neutralize SARS-CoV-2 variants that carry E484K or N501Y substitutions. However, nanobodies in group 2 retain full neutralization activity against these variants when expressed as homotrimers, and—to our knowledge—rival the most potent antibodies against SARS-CoV-2 that have been produced to date. These findings suggest that multivalent nanobodies overcome SARS-CoV-2 mutations through two separate mechanisms: enhanced avidity for the ACE2-binding domain and recognition of conserved epitopes that are largely inaccessible to human antibodies. Therefore, although new SARS-CoV-2 mutants will continue to emerge, nanobodies represent promising tools to prevent COVID-19 mortality when vaccines are compromised.

Abstract The Omicron (B.1.1.529) variant of SARS-CoV-2 (severe acute respiratory syndrome coronavirus 2) was only recently detected in southern Africa, but its subsequent spread has been extensive, both regionally and globally 1 . It is expected to become dominant in the coming weeks 2 , probably due to enhanced transmissibility. A striking feature of this variant is the large number of spike mutations 3 that pose a threat to the efficacy of current COVID-19 (coronavirus disease 2019) vaccines and antibody therapies 4 . This concern is amplified by the findings from our study. We found B.1.1.529 to be markedly resistant to neutralization by serum not only from convalescent patients, but also from individuals vaccinated with one of the four widely used COVID-19 vaccines. Even serum from persons vaccinated and boosted with mRNA-based vaccines exhibited substantially diminished neutralizing activity against B.1.1.529. By evaluating a panel of monoclonal antibodies to all known epitope clusters on the spike protein, we noted that the activity of 17 of the 19 antibodies tested were either abolished or impaired, including ones currently authorized or approved for use in patients. In addition, we also identified four new spike mutations (S371L, N440K, G446S, and Q493R) that confer greater antibody resistance to B.1.1.529. The Omicron variant presents a serious threat to many existing COVID-19 vaccines and therapies, compelling the development of new interventions that anticipate the evolutionary trajectory of SARS-CoV-2.

Abstract The SARS-CoV-2 pandemic rages on with devasting consequences on human lives and the global economy 1,2 . The discovery and development of virus-neutralizing monoclonal antibodies could be one approach to treat or prevent infection by this novel coronavirus. Here we report the isolation of 61 SARS-CoV-2-neutralizing monoclonal antibodies from 5 infected patients hospitalized with severe disease. Among these are 19 antibodies that potently neutralized the authentic SARS-CoV-2 in vitro , 9 of which exhibited exquisite potency, with 50% virus-inhibitory concentrations of 0.7 to 9 ng/mL. Epitope mapping showed this collection of 19 antibodies to be about equally divided between those directed to the receptor-binding domain (RBD) and those to the N-terminal domain (NTD), indicating that both of these regions at the top of the viral spike are immunogenic. In addition, two other powerful neutralizing antibodies recognized quaternary epitopes that are overlapping with the domains at the top of the spike. Cryo-electron microscopy reconstructions of one antibody targeting RBD, a second targeting NTD, and a third bridging two separate RBDs revealed recognition of the closed, “all RBD-down” conformation of the spike. Several of these monoclonal antibodies are promising candidates for clinical development as potential therapeutic and/or prophylactic agents against SARS-CoV-2.

Abstract SARS-CoV-2 Omicron subvariants BA.2.12.1 and BA.4/5 have surged dramatically to become dominant in the United States and South Africa, respectively 1,2 . These novel subvariants carrying additional mutations in their spike proteins raise concerns that they may further evade neutralizing antibodies, thereby further compromising the efficacy of COVID-19 vaccines and therapeutic monoclonals. We now report findings from a systematic antigenic analysis of these surging Omicron subvariants. BA.2.12.1 is only modestly (1.8-fold) more resistant to sera from vaccinated and boosted individuals than BA.2. However, BA.4/5 is substantially (4.2-fold) more resistant and thus more likely to lead to vaccine breakthrough infections. Mutation at spike residue L452 found in both BA.2.12.1 and BA.4/5 facilitates escape from some antibodies directed to the so-called class 2 and 3 regions of the receptor-binding domain 3 . The F486V mutation found in BA.4/5 facilitates escape from certain class 1 and 2 antibodies but compromises the spike affinity for the viral receptor. The R493Q reversion mutation, however, restores receptor affinity and consequently the fitness of BA.4/5. Among therapeutic antibodies authorized for clinical use, only bebtelovimab retains full potency against both BA.2.12.1 and BA.4/5. The Omicron lineage of SARS-CoV-2 continues to evolve, successively yielding subvariants that are not only more transmissible but also more evasive to antibodies.

Understanding protective mechanisms of antibody recognition can inform vaccine and therapeutic strategies against SARS-CoV-2. We discovered a new antibody, 910-30, that targets the SARS-CoV-2 ACE2 receptor binding site as a member of a public antibody response encoded by IGHV3-53/IGHV3-66 genes. We performed sequence and structural analyses to explore how antibody features correlate with SARS-CoV-2 neutralization. Cryo-EM structures of 910-30 bound to the SARS-CoV-2 spike trimer revealed its binding interactions and ability to disassemble spike. Despite heavy chain sequence similarity, biophysical analyses of IGHV3-53/3-66 antibodies highlighted the importance of native heavy:light pairings for ACE2 binding competition and for SARS-CoV-2 neutralization. We defined paired heavy:light sequence signatures and determined antibody precursor prevalence to be ~1 in 44,000 human B cells, consistent with public antibody identification in several convalescent COVID-19 patients. These data reveal key structural and functional neutralization features in the IGHV3-53/3-66 public antibody class to accelerate antibody-based medical interventions against SARS-CoV-2.A molecular study of IGHV3-53/3-66 public antibody responses reveals critical heavy and light chain features for potent neutralizationCryo-EM analyses detail the structure of a novel public antibody class member, antibody 910-30, in complex with SARS-CoV-2 spike trimerCryo-EM data reveal that 910-30 can both bind assembled trimer and can disassemble the SARS-CoV-2 spikeSequence-structure-function signatures defined for IGHV3-53/3-66 class antibodies including both heavy and light chainsIGHV3-53/3-66 class precursors have a prevalence of 1:44,000 B cells in healthy human antibody repertoires.