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 The identification of the Omicron (B.1.1.529.1 or BA.1) variant of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) in Botswana in November 2021 1 immediately caused concern owing to the number of alterations in the spike glycoprotein that could lead to antibody evasion. We 2 and others 3–6 recently reported results confirming such a concern. Continuing surveillance of the evolution of Omicron has since revealed the rise in prevalence of two sublineages, BA.1 with an R346K alteration (BA.1+R346K, also known as BA.1.1) and B.1.1.529.2 (BA.2), with the latter containing 8 unique spike alterations and lacking 13 spike alterations found in BA.1. Here we extended our studies to include antigenic characterization of these new sublineages. Polyclonal sera from patients infected by wild-type SARS-CoV-2 or recipients of current mRNA vaccines showed a substantial loss in neutralizing activity against both BA.1+R346K and BA.2, with drops comparable to that already reported for BA.1 (refs. 2,3,5,6 ). These findings indicate that these three sublineages of Omicron are antigenically equidistant from the wild-type SARS-CoV-2 and thus similarly threaten the efficacies of current vaccines. BA.2 also exhibited marked resistance to 17 of 19 neutralizing monoclonal antibodies tested, including S309 (sotrovimab) 7 , which had retained appreciable activity against BA.1 and BA.1+R346K (refs. 2–4,6 ). This finding shows that no authorized monoclonal antibody therapy could adequately cover all sublineages of the Omicron variant, except for the recently authorized LY-CoV1404 (bebtelovimab).

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.

The BQ and XBB subvariants of SARS-CoV-2 Omicron are now rapidly expanding, possibly due to altered antibody evasion properties deriving from their additional spike mutations. Here, we report that neutralization of BQ.1, BQ.1.1, XBB, and XBB.1 by sera from vaccinees and infected persons was markedly impaired, including sera from individuals boosted with a WA1/BA.5 bivalent mRNA vaccine. Titers against BQ and XBB subvariants were lower by 13- to 81-fold and 66- to 155-fold, respectively, far beyond what had been observed to date. Monoclonal antibodies capable of neutralizing the original Omicron variant were largely inactive against these new subvariants, and the responsible individual spike mutations were identified. These subvariants were found to have similar ACE2-binding affinities as their predecessors. Together, our findings indicate that BQ and XBB subvariants present serious threats to current COVID-19 vaccines, render inactive all authorized antibodies, and may have gained dominance in the population because of their advantage in evading antibodies.

Nirmatrelvir, an oral antiviral targeting the 3CL protease of SARS-CoV-2, has been demonstrated to be clinically useful against COVID-19 (refs. 1,2). However, because SARS-CoV-2 has evolved to become resistant to other therapeutic modalities3-9, there is a concern that the same could occur for nirmatrelvir. Here we examined this possibility by in vitro passaging of SARS-CoV-2 in nirmatrelvir using two independent approaches, including one on a large scale. Indeed, highly resistant viruses emerged from both and their sequences showed a multitude of 3CL protease mutations. In the experiment peformed with many replicates, 53 independent viral lineages were selected with mutations observed at 23 different residues of the enzyme. Nevertheless, several common mutational pathways to nirmatrelvir resistance were preferred, with a majority of the viruses descending from T21I, P252L or T304I as precursor mutations. Construction and analysis of 13 recombinant SARS-CoV-2 clones showed that these mutations mediated only low-level resistance, whereas greater resistance required accumulation of additional mutations. E166V mutation conferred the strongest resistance (around 100-fold), but this mutation resulted in a loss of viral replicative fitness that was restored by compensatory changes such as L50F and T21I. Our findings indicate that SARS-CoV-2 resistance to nirmatrelvir does readily arise via multiple pathways in vitro, and the specific mutations observed herein form a strong foundation from which to study the mechanism of resistance in detail and to inform the design of next-generation protease inhibitors.

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 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.

SUMMARY The SARS-CoV-2 Omicron variant continues to evolve, with new BQ and XBB subvariants now rapidly expanding in Europe/US and Asia, respectively. As these new subvariants have additional spike mutations, they may possess altered antibody evasion properties. Here, we report that neutralization of BQ.1, BQ.1.1, XBB, and XBB.1 by sera from vaccinees and infected persons was markedly impaired, including sera from individuals who were boosted with a WA1/BA.5 bivalent mRNA vaccine. Compared to the ancestral strain D614G, serum neutralizing titers against BQ and XBB subvariants were lower by 13-81-fold and 66-155-fold, respectively, far beyond what had been observed to date. A panel of monoclonal antibodies capable of neutralizing the original Omicron variant, including those with Emergency Use Authorization, were largely inactive against these new subvariants. The spike mutations that conferred antibody resistance were individually studied and structurally explained. Finally, the ACE2-binding affinities of the spike proteins of these novel subvariants were found to be similar to those of their predecessors. Taken together, our findings indicate that BQ and XBB subvariants present serious threats to the efficacy of current COVID-19 vaccines, render inactive all authorized monoclonal antibodies, and may have gained dominance in the population because of their advantage in evading antibodies.

Abstract Nirmatrelvir, an oral antiviral targeting the 3CL protease of SARS-CoV-2, has been demonstrated to be clinically useful in reducing hospitalization or death due to COVID-19 1,2 . However, as SARS-CoV-2 has evolved to become resistant to other therapeutic modalities 3–9 , there is a concern that the same could occur for nirmatrelvir. Here, we have examined this possibility by in vitro passaging of SARS-CoV-2 in increasing concentrations of nirmatrelvir using two independent approaches, including one on a large scale in 480 wells. Indeed, highly resistant viruses emerged from both, and their sequences revealed a multitude of 3CL protease mutations. In the experiment done at a larger scale with many replicates, 53 independent viral lineages were selected with mutations observed at 23 different residues of the enzyme. Yet, several common mutational pathways to nirmatrelvir resistance were preferred, with a majority of the viruses descending from T21I, P252L, or T304I as precursor mutations. Construction and analysis of 13 recombinant SARS-CoV-2 clones, each containing a unique mutation or a combination of mutations showed that the above precursor mutations only mediated low-level resistance, whereas greater resistance required accumulation of additional mutations. E166V mutation conferred the strongest resistance (~100-fold), but this mutation resulted in a loss of viral replicative fitness that was restored by compensatory changes such as L50F and T21I. Structural explanations are discussed for some of the mutations that are proximal to the drug-binding site, as well as cross-resistance or lack thereof to ensitrelvir, another clinically important 3CL protease inhibitor. Our findings indicate that SARS-CoV-2 resistance to nirmatrelvir does readily arise via multiple pathways in vitro , and the specific mutations observed herein form a strong foundation from which to study the mechanism of resistance in detail and to inform the design of next generation protease inhibitors.