Continuous evolution of Omicron has led to a rapid and simultaneous emergence of numerous variants that display growth advantages over BA.5 (ref. 1). Despite their divergent evolutionary courses, mutations on their receptor-binding domain (RBD) converge on several hotspots. The driving force and destination of such sudden convergent evolution and its effect on humoral immunity remain unclear. Here we demonstrate that these convergent mutations can cause evasion of neutralizing antibody drugs and convalescent plasma, including those from BA.5 breakthrough infection, while maintaining sufficient ACE2-binding capability. BQ.1.1.10 (BQ.1.1 + Y144del), BA.4.6.3, XBB and CH.1.1 are the most antibody-evasive strains tested. To delineate the origin of the convergent evolution, we determined the escape mutation profiles and neutralization activity of monoclonal antibodies isolated from individuals who had BA.2 and BA.5 breakthrough infections2,3. Owing to humoral immune imprinting, BA.2 and especially BA.5 breakthrough infection reduced the diversity of the neutralizing antibody binding sites and increased proportions of non-neutralizing antibody clones, which, in turn, focused humoral immune pressure and promoted convergent evolution in the RBD. Moreover, we show that the convergent RBD mutations could be accurately inferred by deep mutational scanning profiles4,5, and the evolution trends of BA.2.75 and BA.5 subvariants could be well foreseen through constructed convergent pseudovirus mutants. These results suggest that current herd immunity and BA.5 vaccine boosters may not efficiently prevent the infection of Omicron convergent variants.

Abstract The SARS-CoV-2 B.1.1.529 variant (Omicron) contains 15 mutations on the receptor-binding domain (RBD). How Omicron would evade RBD neutralizing antibodies (NAbs) requires immediate investigation. Here, we used high-throughput yeast display screening 1,2 to determine the RBD escaping mutation profiles for 247 human anti-RBD NAbs and showed that the NAbs could be unsupervised clustered into six epitope groups (A-F), which is highly concordant with knowledge-based structural classifications 3-5 . Strikingly, various single mutations of Omicron could impair NAbs of different epitope groups. Specifically, NAbs in Group A-D, whose epitope overlap with ACE2-binding motif, are largely escaped by K417N, G446S, E484A, and Q493R. Group E (S309 site) 6 and F (CR3022 site) 7 NAbs, which often exhibit broad sarbecovirus neutralizing activity, are less affected by Omicron, but still, a subset of NAbs are escaped by G339D, N440K, and S371L. Furthermore, Omicron pseudovirus neutralization showed that single mutation tolerating NAbs could also be escaped due to multiple synergetic mutations on their epitopes. In total, over 85% of the tested NAbs are escaped by Omicron. Regarding NAb drugs, the neutralization potency of LY-CoV016/LY-CoV555, REGN10933/REGN10987, AZD1061/AZD8895, and BRII-196 were greatly reduced by Omicron, while VIR-7831 and DXP-604 still function at reduced efficacy. Together, data suggest Omicron would cause significant humoral immune evasion, while NAbs targeting the sarbecovirus conserved region remain most effective. Our results offer instructions for developing NAb drugs and vaccines against Omicron and future variants.

Abstract Omicron sub-lineage BA.2 has rapidly surged globally, accounting for over 60% of recent SARS-CoV-2 infections. Newly acquired RBD mutations and high transmission advantage over BA.1 urge the investigation of BA.2’s immune evasion capability. Here, we show that BA.2 causes strong neutralization resistance, comparable to BA.1, in vaccinated individuals’ plasma. However, BA.2 displays more severe antibody evasion in BA.1 convalescents, and most prominently, in vaccinated SARS convalescents’ plasma, suggesting a substantial antigenicity difference between BA.2 and BA.1. To specify, we determined the escaping mutation profiles 1,2 of 714 SARS-CoV-2 RBD neutralizing antibodies, including 241 broad sarbecovirus neutralizing antibodies isolated from SARS convalescents, and measured their neutralization efficacy against BA.1, BA.1.1, BA.2. Importantly, BA.2 specifically induces large-scale escape of BA.1/BA.1.1-effective broad sarbecovirus neutralizing antibodies via novel mutations T376A, D405N, and R408S. These sites were highly conserved across sarbecoviruses, suggesting that Omicron BA.2 arose from immune pressure selection instead of zoonotic spillover. Moreover, BA.2 reduces the efficacy of S309 (Sotrovimab) 3,4 and broad sarbecovirus neutralizing antibodies targeting the similar epitope region, including BD55-5840. Structural comparisons of BD55-5840 in complexes with BA.1 and BA.2 spike suggest that BA.2 could hinder antibody binding through S371F-induced N343-glycan displacement. Intriguingly, the absence of G446S mutation in BA.2 enabled a proportion of 440-449 linear epitope targeting antibodies to retain neutralizing efficacy, including COV2-2130 (Cilgavimab) 5 . Together, we showed that BA.2 exhibits distinct antigenicity compared to BA.1 and provided a comprehensive profile of SARS-CoV-2 antibody escaping mutations. Our study offers critical insights into the humoral immune evading mechanism of current and future variants.

The ongoing evolution of SARS-CoV-2 continues to challenge the global immune barrier established by infections and vaccine boosters. Recently, the emergence and dominance of the JN.1 lineage over XBB variants have prompted a reevaluation of current vaccine strategies. Despite the demonstrated effectiveness of XBB-based vaccines against JN.1, concerns persist regarding the durability of neutralizing antibody (NAb) responses against evolving JN.1 subvariants. In this study, we compared the humoral immunogenicity of XBB and JN.1 lineage infections in human subjects with diverse immune histories to understand the antigenic and immunogenic distinctions between these variants. Similar to observations in naive mice, priming with XBB and JN.1 in humans without prior SARS-CoV-2 exposure results in distinct NAb responses, exhibiting minimal cross-reactivity. Importantly, breakthrough infections (BTI) with the JN.1 lineage induce 5.9-fold higher neutralization titers against JN.1 compared to those induced by XBB BTI. We also observed notable immune evasion of recently emerged JN.1 sublineages, including JN.1+R346T+F456L, with KP.3 showing the most pronounced decrease in neutralization titers by both XBB and JN.1 BTI sera. These results underscore the challenge posed by the continuously evolving SARS-CoV-2 JN.1 and support the consideration of switching the focus of future SARS-CoV-2 vaccine updates to the JN.1 lineage.

Summary Therapeutics based on fusing a protein of interest to the IgG Fc domain have been enormously successful, though fewer studies have investigated the vaccine potential of IgG fusions. In this study, we systematically compared the key properties of seven different plant-made human IgG1 fusion vaccine candidates using Zika virus (ZIKV) envelope domain III (ZE3) as a model antigen. Complement protein C1q binding of the IgG fusions was enhanced by: 1) antigen fusion to the IgG N-terminus; 2) removal of the IgG light chain or Fab regions; 3) addition of hexamer-inducing mutations in the IgG Fc; 4) adding a self-binding epitope tag to create recombinant immune complexes (RIC); or 5) producing IgG fusions in plants that lack plant-specific β1,2-linked xylose and α1,3-linked fucose N-linked glycans. We also characterized the expression, solubility, and stability of the IgG fusions. By optimizing immune complex formation, a potently immunogenic vaccine candidate with improved solubility and high stability was produced at 1.5 mg IgG fusion per g leaf fresh weight. In mice, the IgG fusions elicited high titers of Zika-specific antibodies which neutralized ZIKV using only two doses without adjuvant, reaching up to 150-fold higher antibody titers than ZE3 antigen alone. We anticipate these findings will be broadly applicable to the creation of other vaccines and antibody-based therapeutics. Highlights A modified immune complex has high expression, solubility, stability, and immunogenicity. Antigen immunogenicity is improved up to 150-fold by fusion to plant-made IgGs. High serum IgG titers >1:500,000 were achieved with only two doses without adjuvant.

Abstract The continuous emergence of highly immune evasive SARS-CoV-2 variants, like XBB.1.5 1,2 and XBB.1.16 3,4 , highlights the need to update COVID-19 vaccine compositions. However, immune imprinting induced by wildtype (WT)-based vaccination would compromise the antibody response to Omicron-based boosters 5-9 . Vaccination strategies that can counter immune imprinting are critically needed. In this study, we investigated the degree and dynamics of immune imprinting in mouse models and human cohorts, especially focusing on the role of repeated Omicron stimulation. Our results show that in mice, the efficacy of single Omicron-boosting is heavily limited by immune imprinting, especially when using variants antigenically distinct from WT, like XBB, while the concerning situation could be largely mitigated by a second Omicron booster. Similarly, in humans, we found that repeated Omicron infections could also alleviate WT-vaccination-induced immune imprinting and generate high neutralizing titers against XBB.1.5 and XBB.1.16 in both plasma and nasal mucosa. By isolating 781 RBD-targeting mAbs from repeated Omicron infection cohorts, we revealed that double Omicron exposure alleviates immune imprinting by generating a large proportion of highly matured and potent Omicron-specific antibodies. Importantly, epitope characterization using deep mutational scanning (DMS) showed that these Omicron-specific antibodies target distinct RBD epitopes compared to WT-induced antibodies, and the bias towards non-neutralizing epitopes observed in single Omicron exposures due to imprinting was largely restored after repeated Omicron stimulation, together leading to a substantial neutralizing epitope shift. Based on the DMS profiles, we identified evolution hotspots of XBB.1.5 RBD and demonstrated the combinations of these mutations could further boost XBB.1.5’s immune-evasion capability while maintaining high ACE2 binding affinity. Our findings suggest the WT component should be abandoned when updating COVID-19 vaccine antigen compositions to XBB lineages, and those who haven’t been exposed to Omicron yet should receive two updated vaccine boosters.

Abstract Continuous evolution of Omicron has led to a rapid and simultaneous emergence of numerous variants that display growth advantages over BA. 5. Despite their divergent evolutionary courses, mutations on their receptor-binding domain (RBD) converge on several hotspots. The driving force and destination of such convergent evolution and its impact on humoral immunity remain unclear. Here, we demonstrate that these convergent mutations can cause striking evasion of neutralizing antibody (NAb) drugs and convalescent plasma, including those from BA.5 breakthrough infection, while maintaining sufficient ACE2 binding capability. BQ.1.1.10, BA.4.6.3, XBB, and CH. 1.1 are the most antibody-evasive strain tested, even exceeding SARS-CoV-1 level. To delineate the origin of the convergent evolution, we determined the escape mutation profiles and neutralization activity of monoclonal antibodies (mAbs) isolated from BA.2 and BA.5 breakthrough-infection convalescents. Importantly, due to humoral immune imprinting, BA.2 and especially BA.5 breakthrough infection caused significant reductions in the epitope diversity of NAbs and increased proportion of non-neutralizing mAbs, which in turn concentrated humoral immune pressure and promoted convergent evolution. Moreover, we showed that the convergent RBD mutations could be accurately inferred by integrated deep mutational scanning (DMS) profiles, and the evolution trends of BA.2.75/BA.5 subvariants could be well-simulated through constructed convergent pseudovirus mutants. Together, our results suggest current herd immunity and BA.5 vaccine boosters may not provide good protection against infection. Broad-spectrum SARS-CoV-2 vaccines and NAb drugs development should be highly prioritized, and the constructed mutants could help to examine their effectiveness in advance.

Abstract SARS-CoV-2 Omicron sublineages BA.2.12.1, BA.4 and BA.5 exhibit higher transmissibility over BA.2 1 . The new variants’ receptor binding and immune evasion capability require immediate investigation. Here, coupled with Spike structural comparisons, we show that BA.2.12.1 and BA.4/BA.5 exhibit comparable ACE2-binding affinities to BA.2. Importantly, BA.2.12.1 and BA.4/BA.5 display stronger neutralization evasion than BA.2 against the plasma from 3-dose vaccination and, most strikingly, from post-vaccination BA.1 infections. To delineate the underlying antibody evasion mechanism, we determined the escaping mutation profiles 2 , epitope distribution 3 and Omicron neutralization efficacy of 1640 RBD-directed neutralizing antibodies (NAbs), including 614 isolated from BA.1 convalescents. Interestingly, post-vaccination BA.1 infection mainly recalls wildtype-induced humoral memory. The resulting elicited antibodies could neutralize both wildtype and BA.1 and are enriched on non-ACE2-competing epitopes. However, most of these cross-reactive NAbs are heavily escaped by L452Q, L452R and F486V. BA.1 infection can also induce new clones of BA.1-specific antibodies that potently neutralize BA.1; nevertheless, these NAbs are largely escaped by BA.2/BA.4/BA.5 due to D405N and F486V, and react weakly to pre-Omicron variants, exhibiting poor neutralization breadths. As for therapeutic NAbs, Bebtelovimab 4 and Cilgavimab 5 can effectively neutralize BA.2.12.1 and BA.4/BA.5, while the S371F, D405N and R408S mutations would undermine most broad sarbecovirus NAbs. Together, our results indicate that Omicron may evolve mutations to evade the humoral immunity elicited by BA.1 infection, suggesting that BA.1-derived vaccine boosters may not achieve broad-spectrum protection against new Omicron variants.