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.

Summary SARS-CoV-2 Omicron is highly transmissible and has substantial resistance to antibody neutralization following immunization with ancestral spike-matched vaccines. It is unclear whether boosting with Omicron-specific vaccines would enhance immunity and protection. Here, nonhuman primates that received mRNA-1273 at weeks 0 and 4 were boosted at week 41 with mRNA-1273 or mRNA-Omicron. Neutralizing antibody titers against D614G were 4760 and 270 reciprocal ID 50 at week 6 (peak) and week 41 (pre-boost), respectively, and 320 and 110 for Omicron. Two weeks after boost, titers against D614G and Omicron increased to 5360 and 2980, respectively, for mRNA-1273 and 2670 and 1930 for mRNA-Omicron. Following either boost, 70-80% of spike-specific B cells were cross-reactive against both WA1 and Omicron. Significant and equivalent control of virus replication in lower airways was observed following either boost. Therefore, an Omicron boost may not provide greater immunity or protection compared to a boost with the current mRNA-1273 vaccine.

Adjuvanted soluble protein vaccines have been used extensively in humans for protection against various viral infections based on their robust induction of antibody responses. Here, soluble prefusion-stabilized spike trimers (preS dTM) from the severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV-2) were formulated with the adjuvant AS03 and administered twice to nonhuman primates (NHP). Binding and functional neutralization assays and systems serology revealed that NHP developed AS03-dependent multi-functional humoral responses that targeted multiple spike domains and bound to a variety of antibody FC receptors mediating effector functions in vitro. Pseudovirus and live virus neutralizing IC50 titers were on average greater than 1000 and significantly higher than a panel of human convalescent sera. NHP were challenged intranasally and intratracheally with a high dose (3×106 PFU) of SARS-CoV-2 (USA-WA1/2020 isolate). Two days post-challenge, vaccinated NHP showed rapid control of viral replication in both the upper and lower airways. Notably, vaccinated NHP also had increased spike-specific IgG antibody responses in the lung as early as 2 days post challenge. Moreover, vaccine-induced IgG mediated protection from SARS-CoV-2 challenge following passive transfer to hamsters. These data show that antibodies induced by the AS03-adjuvanted preS dTM vaccine are sufficient to mediate protection against SARS-CoV-2 and support the evaluation of this vaccine in human clinical trials.

Summary 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 all seven antibodies to target a common surface, bordered by glycans N 17, N 74, N 122, and N 149. 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 target a single supersite.

The emergence of highly transmissible SARS-CoV-2 variants of concern (VOC) that are resistant to therapeutic antibodies highlights the need for continuing discovery of broadly reactive antibodies. We identify four receptor-binding domain targeting antibodies from three early-outbreak convalescent donors with potent neutralizing activity against 12 variants including the B.1.1.7 and B.1.351 VOCs. Two of them are ultrapotent, with sub-nanomolar neutralization titers (IC50 <0.0006 to 0.0102 μ g/mL; IC80 < 0.0006 to 0.0251 μ g/mL). We define the structural and functional determinants of binding for all four VOC-targeting antibodies, and show that combinations of two antibodies decrease the in vitro generation of escape mutants, suggesting potential means to mitigate resistance development. These results define the basis of therapeutic cocktails against VOCs and suggest that targeted boosting of existing immunity may increase vaccine breadth against VOCs.

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.

Since the outbreak of the COVID-19 pandemic, widespread infections have allowed SARS-CoV-2 to evolve in human, leading to the emergence of multiple circulating variants. Some of these variants show increased resistance to vaccines, convalescent plasma, or monoclonal antibodies. In particular, mutations in the SARS-CoV-2 spike have drawn attention. To facilitate the isolation of neutralizing antibodies and the monitoring the vaccine effectiveness against these variants, we designed and produced biotin-labeled molecular probes of variant SARS-CoV-2 spikes and their subdomains, using a structure-based construct design that incorporated an N-terminal purification tag, a specific amino acid sequence for protease cleavage, the variant spike-based region of interest, and a C-terminal sequence targeted by biotin ligase. These probes could be produced by a single step using in-process biotinylation and purification. We characterized the physical properties and antigenicity of these probes, comprising the N-terminal domain (NTD), the receptor-binding domain (RBD), the RBD and subdomain 1 (RBD-SD1), and the prefusion-stabilized spike ectodomain (S2P) with sequences from SARS-CoV-2 variants of concern or of interest, including variants Alpha, Beta, Gamma, Epsilon, Iota, Kappa, Delta, Lambda, Mu, and Omicron. We functionally validated probes by using yeast expressing a panel of nine SARS-CoV-2 spike-binding antibodies and confirmed sorting capabilities of variant probes using yeast displaying libraries of plasma antibodies from COVID-19 convalescent donors. We deposited these constructs to Addgene to enable their dissemination. Overall, this study describes a matrix of SARS-CoV-2 variant molecular probes that allow for assessment of immune responses, identification of serum antibody specificity, and isolation and characterization of neutralizing antibodies.

Abstract With B.1.1.529 SARS-CoV-2 variant’s rapid spread and substantially increased resistance to neutralization by vaccinee and convalescent sera, monoclonal antibodies with potent neutralization are eagerly sought. To provide insight into effective neutralization, we determined cryo-EM structures and evaluated potent receptor-binding domain (RBD) antibodies for their ability to bind and neutralize this new variant. B.1.1.529 RBD mutations altered 16% of the RBD surface, clustering on a ridge of this domain proximal to the ACE2-binding surface and reducing binding of most antibodies. Significant inhibitory activity was retained, however, by select monoclonal antibodies including A19-58.1, B1-182.1, COV2-2196, S2E12, A19-46.1, S309 and LY-CoV1404, which accommodated these changes and neutralized B.1.1.529 with IC 50 s between 5.1-281 ng/ml, and we identified combinations of antibodies with potent synergistic neutralization. Structure-function analyses delineated the impact of resistance mutations and revealed structural mechanisms for maintenance of potent neutralization against emerging variants. Summary Sentence We show potent B.1.1.529 neutralization by select antibodies and use EM structures to reveal how potency can be retained.

Since the start of the coronavirus disease-2019 (COVID-19) pandemic, severe acute respiratory syndrome coronavirus-2 (SARS-CoV-2) has caused more than 2 million deaths worldwide. Multiple vaccines have been deployed to date, but the continual evolution of the viral receptor-binding domain (RBD) has recently challenged their efficacy. In particular, SARS-CoV-2 variants originating in the U.K. (B.1.1.7), South Africa (B.1.351) and New York (B.1.526) have reduced neutralization activity from convalescent sera and compromised the efficacy of antibody cocktails that received emergency use authorization. Whereas vaccines can be updated periodically to account for emerging variants, complementary strategies are urgently needed to avert viral escape. One potential alternative is the use of camelid VHHs (also known as nanobodies), which due to their small size can recognize protein crevices that are inaccessible to conventional antibodies. Here, we isolate anti-RBD nanobodies from llamas and “nanomice” we engineered to produce VHHs cloned from alpacas, dromedaries and camels. Through binding assays and cryo-electron microscopy, we identified two sets of highly neutralizing nanobodies. The first group expresses VHHs that circumvent RBD antigenic drift by recognizing a region outside the ACE2-binding site that is conserved in coronaviruses but is not typically targeted by monoclonal antibodies. The second group is almost exclusively focused to the RBD-ACE2 interface and fails to neutralize pseudoviruses carrying the E484K or N501Y substitutions. Notably however, they do neutralize the RBD variants when expressed as homotrimers, rivaling the most potent antibodies produced to date against SARS-CoV-2. These findings demonstrate that multivalent nanobodies overcome SARS-CoV-2 variant mutations through two separate mechanisms: enhanced avidity for the ACE2 binding domain, and recognition of conserved epitopes largely inaccessible to human antibodies. Therefore, while new SARS-CoV-2 mutants will continue to emerge, nanobodies represent promising tools to prevent COVID-19 mortality when vaccines are compromised.

Summary Emerging SARS-CoV-2 strains, B.1.1.7 and B.1.351, from the UK and South Africa, respectively show decreased neutralization by monoclonal antibodies and convalescent or vaccinee sera raised against the original wild-type virus, and are thus of clinical concern. However, the neutralization potency of two antibodies, 1-57 and 2-7, which target the receptor-binding domain (RBD) of spike, was unaffected by these emerging strains. Here, we report cryo-EM structures of 1-57 and 2-7 in complex with spike, revealing each of these antibodies to utilize a distinct mechanism to bypass or accommodate RBD mutations. Notably, each antibody represented a response with recognition distinct from those of frequent antibody classes. Moreover, many epitope residues recognized by 1-57 and 2-7 were outside hotspots of evolutionary pressure for both ACE2 binding and neutralizing antibody escape. We suggest the therapeutic use of antibodies like 1-57 and 2-7, which target less prevalent epitopes, could ameliorate issues of monoclonal antibody escape.