The emergence of SARS-CoV-2 has resulted in >90,000 infections and >3,000 deaths. Coronavirus spike (S) glycoproteins promote entry into cells and are the main target of antibodies. We show that SARS-CoV-2 S uses ACE2 to enter cells and that the receptor-binding domains of SARS-CoV-2 S and SARS-CoV S bind with similar affinities to human ACE2, correlating with the efficient spread of SARS-CoV-2 among humans. We found that the SARS-CoV-2 S glycoprotein harbors a furin cleavage site at the boundary between the S1/S2 subunits, which is processed during biogenesis and sets this virus apart from SARS-CoV and SARS-related CoVs. We determined cryo-EM structures of the SARS-CoV-2 S ectodomain trimer, providing a blueprint for the design of vaccines and inhibitors of viral entry. Finally, we demonstrate that SARS-CoV S murine polyclonal antibodies potently inhibited SARS-CoV-2 S mediated entry into cells, indicating that cross-neutralizing antibodies targeting conserved S epitopes can be elicited upon vaccination.

Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is a newly emerged coronavirus that is responsible for the current pandemic of coronavirus disease 2019 (COVID-19), which has resulted in more than 3.7 million infections and 260,000 deaths as of 6 May 20201,2. 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 several monoclonal antibodies that target the S glycoprotein of SARS-CoV-2, which we identified from memory B cells of an individual who was infected with severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV) 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 receptor-binding domain of the S glycoprotein. Using cryo-electron microscopy and binding assays, we show that S309 recognizes an epitope containing a glycan that is conserved within the Sarbecovirus subgenus, without competing with receptor attachment. Antibody cocktails that include S309 in combination with other antibodies that we identified further enhanced SARS-CoV-2 neutralization, and may limit the emergence of neutralization-escape mutants. These results pave the way for using S309 and antibody cocktails containing S309 for prophylaxis in individuals at a high risk of exposure or as a post-exposure therapy to limit or treat severe disease. The monoclonal antibody S309, identified from memory B cells of an individual infected with SARS-CoV in 2003, or antibody cocktails that contain this antibody potently neutralize SARS-CoV-2.

Analysis of the specificity and kinetics of neutralizing antibodies (nAbs) elicited by SARS-CoV-2 infection is crucial for understanding immune protection and identifying targets for vaccine design. In a cohort of 647 SARS-CoV-2-infected subjects, we found that both the magnitude of Ab responses to SARS-CoV-2 spike (S) and nucleoprotein and nAb titers correlate with clinical scores. The receptor-binding domain (RBD) is immunodominant and the target of 90% of the neutralizing activity present in SARS-CoV-2 immune sera. Whereas overall RBD-specific serum IgG titers waned with a half-life of 49 days, nAb titers and avidity increased over time for some individuals, consistent with affinity maturation. We structurally defined an RBD antigenic map and serologically quantified serum Abs specific for distinct RBD epitopes leading to the identification of two major receptor-binding motif antigenic sites. Our results explain the immunodominance of the receptor-binding motif and will guide the design of COVID-19 vaccines and therapeutics.

Recent outbreaks of severe acute respiratory syndrome and Middle East respiratory syndrome, along with the threat of a future coronavirus-mediated pandemic, underscore the importance of finding ways to combat these viruses. The trimeric spike transmembrane glycoprotein S mediates entry into host cells and is the major target of neutralizing antibodies. To understand the humoral immune response elicited upon natural infections with coronaviruses, we structurally characterized the SARS-CoV and MERS-CoV S glycoproteins in complex with neutralizing antibodies isolated from human survivors. Although the two antibodies studied blocked attachment to the host cell receptor, only the anti-SARS-CoV S antibody triggered fusogenic conformational changes via receptor functional mimicry. These results provide a structural framework for understanding coronavirus neutralization by human antibodies and shed light on activation of coronavirus membrane fusion, which takes place through a receptor-driven ratcheting mechanism.

Miniproteins against SARS-CoV-2 Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is decorated with spikes, and viral entry into cells is initiated when these spikes bind to the host angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) receptor. Many monoclonal antibody therapies in development target the spike proteins. Cao et al. designed small, stable proteins that bind tightly to the spike and block it from binding to ACE2. The best designs bind with very high affinity and prevent SARS-CoV-2 infection of mammalian Vero E6 cells. Cryo–electron microscopy shows that the structures of the two most potent inhibitors are nearly identical to the computational models. Unlike antibodies, the miniproteins do not require expression in mammalian cells, and their small size and high stability may allow formulation for direct delivery to the nasal or respiratory system. Science , this issue p. 426

An ideal therapeutic anti-SARS-CoV-2 antibody would resist viral escape1–3, have activity against diverse sarbecoviruses4–7, and be highly protective through viral neutralization8–11 and effector functions12,13. Understanding how these properties relate to each other and vary across epitopes would aid the development of therapeutic antibodies and guide vaccine design. Here we comprehensively characterize escape, breadth and potency across a panel of SARS-CoV-2 antibodies targeting the receptor-binding domain (RBD). Despite a trade-off between in vitro neutralization potency and breadth of sarbecovirus binding, we identify neutralizing antibodies with exceptional sarbecovirus breadth and a corresponding resistance to SARS-CoV-2 escape. One of these antibodies, S2H97, binds with high affinity across all sarbecovirus clades to a cryptic epitope and prophylactically protects hamsters from viral challenge. Antibodies that target the angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) receptor-binding motif (RBM) typically have poor breadth and are readily escaped by mutations despite high neutralization potency. Nevertheless, we also characterize a potent RBM antibody (S2E128) with breadth across sarbecoviruses related to SARS-CoV-2 and a high barrier to viral escape. These data highlight principles underlying variation in escape, breadth and potency among antibodies that target the RBD, and identify epitopes and features to prioritize for therapeutic development against the current and potential future pandemics. A survey of SARS-CoV-2 RBD antibodies identifies those with activity against diverse SARS-CoV-2 variants and SARS-related coronaviruses, highlighting epitopes and features to prioritize in antibody and vaccine development.

Toll-like receptors (TLRs) are major receptors that enable inflammatory cells to recognize invading microbial pathogens. MicroRNAs are small non-coding RNAs that play important regulatory roles in a variety of biological processes. In this study, we found that a microRNA, miR-147, was induced upon stimulation of multiple TLRs and functioned as a negative regulator of TLR-associated signaling events in murine macrophages. We first demonstrated that the NMES1 transcript was a functional primary miR-147. miR-147 was induced in LPS-stimulated mouse macrophages and under in vivo conditions in the lungs of LPS-treated mice. Expression of miR-147 was greater after cellular activation by TLR4 than after engagement of either TLR2 or TLR3, suggesting that maximal induction of miR-147 required activation of both NF-kappaB and IRF3. TLR4-induced miR-147 expression was both MyD88- and TRIF-dependent. The miR-147 promoter was responsive to TLR4 stimulation and both NF-kappaB and STAT1alpha bound to the miR-147 promoter. miR-147 mimics or induced expression of miR-147 decreased, whereas miR-147 knockdown increased inflammatory cytokine expression in macrophages stimulated with ligands to TLR2, TLR3, and TLR4. These data demonstrate a negative-feedback loop in which TLR stimulation induces miR-147 to prevent excessive inflammatory responses.

AMP-activated protein kinase (AMPK) is activated by increases in the intracellular AMP-to-ATP ratio and plays a central role in cellular responses to metabolic stress. Although activation of AMPK has been shown to have anti-inflammatory effects, there is little information concerning the role that AMPK may play in modulating neutrophil function and neutrophil-dependent inflammatory events, such as acute lung injury. To examine these issues, we determined the effects of pharmacological activators of AMPK, 5-aminoimidazole-4-carboxamide-1-beta-d-ribofuranoside (AICAR) and barberine, on Toll-like receptor 4 (TLR4)-induced neutrophil activation. AICAR and barberine dose-dependently activated AMPK in murine bone marrow neutrophils. Exposure of LPS-stimulated neutrophils to AICAR or barberine inhibited release of TNF-alpha and IL-6, as well as degradation of IkappaBalpha and nuclear translocation of NF-kappaB, compared with findings in neutrophil cultures that contained LPS without AICAR or barberine. Administration of AICAR to mice resulted in activation of AMPK in the lungs and was associated with decreased severity of LPS-induced lung injury, as determined by diminished neutrophil accumulation in the lungs, reduced interstitial pulmonary edema, and diminished levels of TNF-alpha and IL-6 in bronchoalveolar lavage fluid. These results suggest that AMPK activation reduces TLR4-induced neutrophil activation and diminishes the severity of neutrophil-driven proinflammatory processes, including acute lung injury.

New variants of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) continue to arise and prolong the coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic. Here, we used a cell-free expression workflow to rapidly screen and optimize constructs containing multiple computationally designed miniprotein inhibitors of SARS-CoV-2. We found the broadest efficacy was achieved with a homotrimeric version of the 75-residue angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) mimic AHB2 (TRI2-2) designed to geometrically match the trimeric spike architecture. Consistent with the design model, in the cryo-electron microscopy structure TRI2-2 forms a tripod at the apex of the spike protein that engaged all three receptor binding domains simultaneously. TRI2-2 neutralized Omicron (B.1.1.529), Delta (B.1.617.2), and all other variants tested with greater potency than the monoclonal antibodies used clinically for the treatment of COVID-19. TRI2-2 also conferred prophylactic and therapeutic protection against SARS-CoV-2 challenge when administered intranasally in mice. Designed miniprotein receptor mimics geometrically arrayed to match pathogen receptor binding sites could be a widely applicable antiviral therapeutic strategy with advantages over antibodies in greater resistance to viral escape and antigenic drift, and advantages over native receptor traps in lower chances of autoimmune responses.

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.