SARS-CoV-2 evolution threatens vaccine- and natural infection–derived immunity and the efficacy of therapeutic antibodies. To improve public health preparedness, we sought to predict which existing amino acid mutations in SARS-CoV-2 might contribute to future variants of concern. We tested the predictive value of features comprising epidemiology, evolution, immunology, and neural network–based protein sequence modeling and identified primary biological drivers of SARS-CoV-2 intrapandemic evolution. We found evidence that ACE2-mediated transmissibility and resistance to population-level host immunity has waxed and waned as a primary driver of SARS-CoV-2 evolution over time. We retroactively identified with high accuracy (area under the receiver operator characteristic curve = 0.92 to 0.97) mutations that will spread, at up to 4 months in advance, across different phases of the pandemic. The behavior of the model was consistent with a plausible causal structure where epidemiological covariates combine the effects of diverse and shifting drivers of viral fitness. We applied our model to forecast mutations that will spread in the future and characterize how these mutations affect the binding of therapeutic antibodies. These findings demonstrate that it is possible to forecast the driver mutations that could appear in emerging SARS-CoV-2 variants of concern. We validated this result against Omicron, showing elevated predictive scores for its component mutations before emergence and rapid score increase across daily forecasts during emergence. This modeling approach may be applied to any rapidly evolving pathogens with sufficiently dense genomic surveillance data, such as influenza, and unknown future pandemic viruses.

Abstract Currently circulating SARS-CoV-2 variants have acquired convergent mutations at hot spots in the receptor-binding domain 1 (RBD) of the spike protein. The effects of these mutations on viral infection and transmission and the efficacy of vaccines and therapies remains poorly understood. Here we demonstrate that recently emerged BQ.1.1 and XBB.1.5 variants bind host ACE2 with high affinity and promote membrane fusion more efficiently than earlier Omicron variants. Structures of the BQ.1.1, XBB.1 and BN.1 RBDs bound to the fragment antigen-binding region of the S309 antibody (the parent antibody for sotrovimab) and human ACE2 explain the preservation of antibody binding through conformational selection, altered ACE2 recognition and immune evasion. We show that sotrovimab binds avidly to all Omicron variants, promotes Fc-dependent effector functions and protects mice challenged with BQ.1.1 and hamsters challenged with XBB.1.5. Vaccine-elicited human plasma antibodies cross-react with and trigger effector functions against current Omicron variants, despite a reduced neutralizing activity, suggesting a mechanism of protection against disease, exemplified by S309. Cross-reactive RBD-directed human memory B cells remained dominant even after two exposures to Omicron spikes, underscoring the role of persistent immune imprinting.

SARS-CoV-2 is a newly emerged coronavirus responsible for the current COVID-19 pandemic that has resulted in more than one million infections and 73,000 deaths 1,2 . Vaccine and therapeutic discovery efforts are paramount to curb the pandemic spread of this zoonotic virus. The SARS-CoV-2 spike (S) glycoprotein promotes entry into host cells and is the main target of neutralizing antibodies. Here we describe multiple monoclonal antibodies targeting SARS-CoV-2 S identified from memory B cells of a SARS survivor infected in 2003. One antibody, named S309, potently neutralizes SARS-CoV-2 and SARS-CoV pseudoviruses as well as authentic SARS-CoV-2 by engaging the S receptor-binding domain. Using cryo-electron microscopy and binding assays, we show that S309 recognizes a glycan-containing epitope that is conserved within the sarbecovirus subgenus, without competing with receptor attachment. Antibody cocktails including S309 along with other antibodies identified here further enhanced SARS-CoV-2 neutralization and may limit the emergence of neutralization-escape mutants. These results pave the way for using S309 and S309-containing antibody cocktails for prophylaxis in individuals at high risk of exposure or as a post-exposure therapy to limit or treat severe disease.

SUMMARY The recently emerged SARS-CoV-2 Omicron variant harbors 37 amino acid substitutions in the spike (S) protein, 15 of which are in the receptor-binding domain (RBD), thereby raising concerns about the effectiveness of available vaccines and antibody therapeutics. Here, we show that the Omicron RBD binds to human ACE2 with enhanced affinity relative to the Wuhan-Hu-1 RBD and acquires binding to mouse ACE2. Severe reductions of plasma neutralizing activity were observed against Omicron compared to the ancestral pseudovirus for vaccinated and convalescent individuals. Most (26 out of 29) receptor-binding motif (RBM)-directed monoclonal antibodies (mAbs) lost in vitro neutralizing activity against Omicron, with only three mAbs, including the ACE2-mimicking S2K146 mAb 1 , retaining unaltered potency. Furthermore, a fraction of broadly neutralizing sarbecovirus mAbs recognizing antigenic sites outside the RBM, including sotrovimab 2 , S2X259 3 and S2H97 4 , neutralized Omicron. The magnitude of Omicron-mediated immune evasion and the acquisition of binding to mouse ACE2 mark a major SARS-CoV-2 mutational shift. Broadly neutralizing sarbecovirus mAbs recognizing epitopes conserved among SARS-CoV-2 variants and other sarbecoviruses may prove key to controlling the ongoing pandemic and future zoonotic spillovers.

The SARS-CoV-2 Omicron variant of concern comprises three sublineages designated BA.1, BA.2, and BA.3, with BA.2 steadily replacing the globally dominant BA.1. We show that the large number of BA.1 and BA.2 spike mutations severely dampen plasma neutralizing activity elicited by infection or seven clinical vaccines, with cross-neutralization of BA.2 being consistently more potent than that of BA.1, independent of the vaccine platform and number of doses. Although mRNA vaccines induced the greatest magnitude of Omicron BA.1 and BA.2 plasma neutralizing activity, administration of a booster based on the Wuhan-Hu-1 spike sequence markedly increased neutralizing antibody titers and breadth against BA.1 and BA.2 across all vaccines evaluated. Our data suggest that although BA.1 and BA.2 evade polyclonal neutralizing antibody responses, current vaccine boosting regimens may provide sufficient protection against Omicron-induced disease.

Abstract Investigating the mechanisms of SARS-CoV-2 cellular infection is key to better understand COVID-19 immunity and pathogenesis. Infection, which involves both cell attachment and membrane fusion, relies on the ACE2 receptor that is paradoxically found at low levels in the respiratory tract, suggesting that additional mechanisms facilitating infection may exist. Here we show that C-type lectin receptors, DC-SIGN, L-SIGN and the sialic acid-binding Ig-like lectin 1 (SIGLEC1) function as auxiliary receptors by enhancing ACE2-mediated infection and modulating the neutralizing activity of different classes of spike-specific antibodies. Antibodies to the N-terminal domain (NTD) or to the conserved proteoglycan site at the base of the Receptor Binding Domain (RBD), while poorly neutralizing infection of ACE2 over-expressing cells, effectively block lectin-facilitated infection. Conversely, antibodies to the Receptor Binding Motif (RBM), while potently neutralizing infection of ACE2 over-expressing cells, poorly neutralize infection of cells expressing DC-SIGN or L-SIGN and trigger fusogenic rearrangement of the spike promoting cell-to-cell fusion. Collectively, these findings identify a lectin-dependent pathway that enhances ACE2-dependent infection by SARS-CoV-2 and reveal distinct mechanisms of neutralization by different classes of spike-specific antibodies.

The SARS-CoV-2 Omicron variant of concern evades antibody mediated immunity with an unprecedented magnitude due to accumulation of numerous spike mutations. To understand the Omicron antigenic shift, we determined cryo-electron microscopy and X-ray crystal structures of the spike and RBD bound to the broadly neutralizing sarbecovirus monoclonal antibody (mAb) S309 (the parent mAb of sotrovimab) and to the human ACE2 receptor. We provide a structural framework for understanding the marked reduction of binding of all other therapeutic mAbs leading to dampened neutralizing activity. We reveal electrostatic remodeling of the interactions within the spike and those formed between the Omicron RBD and human ACE2, likely explaining enhanced affinity for the host receptor relative to the prototypic virus.

Numerous safe and effective COVID-19 vaccines have been developed that utilize various delivery technologies and engineering strategies. The influence of the SARS-CoV-2 spike (S) glycoprotein conformation on antibody responses induced by vaccination or infection in humans remains unknown. To address this question, we compared plasma antibodies elicited by six globally-distributed vaccines or infection and observed markedly higher binding titers for vaccines encoding a prefusion-stabilized S relative to other groups. Prefusion S binding titers positively correlated with plasma neutralizing activity, indicating that physical stabilization of the prefusion conformation enhances protection against SARS-CoV-2. We show that almost all plasma neutralizing activity is directed to prefusion S, in particular the S 1 subunit, and that variant cross-neutralization is mediated solely by RBD-specific antibodies. Our data provide a quantitative framework for guiding future S engineering efforts to develop vaccines with higher resilience to the emergence of variants and longer durability than current technologies.

ABSTRACT Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) has caused the global COVID-19 pandemic resulting in millions of deaths worldwide. Despite the development and deployment of highly effective antibody and vaccine countermeasures, rapidly-spreading SARS-CoV-2 variants with mutations at key antigenic sites in the spike protein jeopardize their efficacy. Indeed, the recent emergence of the highly-transmissible B.1.1.529 Omicron variant is especially concerning because of the number of mutations, deletions, and insertions in the spike protein. Here, using a panel of anti-receptor binding domain (RBD) monoclonal antibodies (mAbs) corresponding to those with emergency use authorization (EUA) or in advanced clinical development by Vir Biotechnology (S309, the parent mAbs of VIR-7381), AstraZeneca (COV2-2196 and COV2-2130, the parent mAbs of AZD8895 and AZD1061), Regeneron (REGN10933 and REGN10987), Lilly (LY-CoV555 and LY-CoV016), and Celltrion (CT-P59), we report the impact on neutralization of a prevailing, infectious B.1.1.529 Omicron isolate compared to a historical WA1/2020 D614G strain. Several highly neutralizing mAbs (LY-CoV555, LY-CoV016, REGN10933, REGN10987, and CT-P59) completely lost inhibitory activity against B.1.1.529 virus in both Vero-TMPRSS2 and Vero-hACE2-TMPRSS2 cells, whereas others were reduced (∼12-fold decrease, COV2-2196 and COV2-2130 combination) or minimally affected (S309). Our results suggest that several, but not all, of the antibody products in clinical use will lose efficacy against the B.1.1.529 Omicron variant and related strains.

The recent emergence of SARS-CoV-2 variants of concern (VOC) and the recurrent spillovers of coronaviruses in the human population highlight the need for broadly neutralizing antibodies that are not affected by the ongoing antigenic drift and that can prevent or treat future zoonotic infections. Here, we describe a human monoclonal antibody (mAb), designated S2×259, recognizing a highly conserved cryptic receptor-binding domain (RBD) epitope and cross-reacting with spikes from all sarbecovirus clades. S2×259 broadly neutralizes spike-mediated entry of SARS-CoV-2 including the B.1.1.7, B.1.351, P.1 and B.1.427/B.1.429 VOC, as well as a wide spectrum of human and zoonotic sarbecoviruses through inhibition of ACE2 binding to the RBD. Furthermore, deep-mutational scanning and in vitro escape selection experiments demonstrate that S2×259 possesses a remarkably high barrier to the emergence of resistance mutants. We show that prophylactic administration of S2×259 protects Syrian hamsters against challenges with the prototypic SARS-CoV-2 and the B.1.351 variant, suggesting this mAb is a promising candidate for the prevention and treatment of emergent VOC and zoonotic infections. Our data unveil a key antigenic site targeted by broadly-neutralizing antibodies and will guide the design of pan-sarbecovirus vaccines.