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.

SARS-CoV-2 has caused the COVID-19 pandemic. There is an urgent need for physiological models to study SARS-CoV-2 infection using human disease-relevant cells. COVID-19 pathophysiology includes respiratory failure but involves other organ systems including gut, liver, heart, and pancreas. We present an experimental platform comprised of cell and organoid derivatives from human pluripotent stem cells (hPSCs). A Spike-enabled pseudo-entry virus infects pancreatic endocrine cells, liver organoids, cardiomyocytes, and dopaminergic neurons. Recent clinical studies show a strong association with COVID-19 and diabetes. We find that human pancreatic beta cells and liver organoids are highly permissive to SARS-CoV-2 infection, further validated using adult primary human islets and adult hepatocyte and cholangiocyte organoids. SARS-CoV-2 infection caused striking expression of chemokines, as also seen in primary human COVID-19 pulmonary autopsy samples. hPSC-derived cells/organoids provide valuable models for understanding the cellular responses of human tissues to SARS-CoV-2 infection and for disease modeling of COVID-19.

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.

There is an urgent need to create novel models using human disease-relevant cells to study severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) biology and to facilitate drug screening. Here, as SARS-CoV-2 primarily infects the respiratory tract, we developed a lung organoid model using human pluripotent stem cells (hPSC-LOs). The hPSC-LOs (particularly alveolar type-II-like cells) are permissive to SARS-CoV-2 infection, and showed robust induction of chemokines following SARS-CoV-2 infection, similar to what is seen in patients with COVID-19. Nearly 25% of these patients also have gastrointestinal manifestations, which are associated with worse COVID-19 outcomes1. We therefore also generated complementary hPSC-derived colonic organoids (hPSC-COs) to explore the response of colonic cells to SARS-CoV-2 infection. We found that multiple colonic cell types, especially enterocytes, express ACE2 and are permissive to SARS-CoV-2 infection. Using hPSC-LOs, we performed a high-throughput screen of drugs approved by the FDA (US Food and Drug Administration) and identified entry inhibitors of SARS-CoV-2, including imatinib, mycophenolic acid and quinacrine dihydrochloride. Treatment at physiologically relevant levels of these drugs significantly inhibited SARS-CoV-2 infection of both hPSC-LOs and hPSC-COs. Together, these data demonstrate that hPSC-LOs and hPSC-COs infected by SARS-CoV-2 can serve as disease models to study SARS-CoV-2 infection and provide a valuable resource for drug screening to identify candidate COVID-19 therapeutics. The use of lung and colonic organoid systems to assess the susceptibility of lung and gut cells to SARS-CoV-2 and to screen FDA-approved drugs that have antiviral activity against SARS-CoV-2 is demonstrated.