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.

The receptor binding domain (RBD) of the SARS-CoV-2 spike glycoprotein mediates viral attachment to ACE2 receptor and is a major determinant of host range and a dominant target of neutralizing antibodies. Here, we experimentally measure how all amino acid mutations to the RBD affect expression of folded protein and its affinity for ACE2. Most mutations are deleterious for RBD expression and ACE2 binding, and we identify constrained regions on the RBD's surface that may be desirable targets for vaccines and antibody-based therapeutics. But a substantial number of mutations are well tolerated or even enhance ACE2 binding, including at ACE2 interface residues that vary across SARS-related coronaviruses. However, we find no evidence that these ACE2-affinity-enhancing mutations have been selected in current SARS-CoV-2 pandemic isolates. We present an interactive visualization and open analysis pipeline to facilitate use of our dataset for vaccine design and functional annotation of mutations observed during viral surveillance.

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.

The recently emerged SARS-CoV-2 Omicron variant encodes 37 amino acid substitutions in the spike protein, 15 of which are in the receptor-binding domain (RBD), thereby raising concerns about the effectiveness of available vaccines and antibody-based therapeutics. Here we show that the Omicron RBD binds to human ACE2 with enhanced affinity, relative to the Wuhan-Hu-1 RBD, and binds to mouse ACE2. Marked reductions in neutralizing activity were observed against Omicron compared to the ancestral pseudovirus in plasma from convalescent individuals and from individuals who had been vaccinated against SARS-CoV-2, but this loss was less pronounced after a third dose of vaccine. Most monoclonal antibodies that are directed against the receptor-binding motif lost in vitro neutralizing activity against Omicron, with only 3 out of 29 monoclonal antibodies retaining unaltered potency, including the ACE2-mimicking S2K146 antibody

The SARS-CoV-2 spike (S) glycoprotein contains an immunodominant receptor-binding domain (RBD) targeted by most neutralizing antibodies (Abs) in COVID-19 patient plasma. Little is known about neutralizing Abs binding to epitopes outside the RBD and their contribution to protection. Here, we describe 41 human monoclonal Abs (mAbs) derived from memory B cells, which recognize the SARS-CoV-2 S N-terminal domain (NTD) and show that a subset of them neutralize SARS-CoV-2 ultrapotently. We define an antigenic map of the SARS-CoV-2 NTD and identify a supersite (designated site i) recognized by all known NTD-specific neutralizing mAbs. These mAbs inhibit cell-to-cell fusion, activate effector functions, and protect Syrian hamsters from SARS-CoV-2 challenge, albeit selecting escape mutants in some animals. Indeed, several SARS-CoV-2 variants, including the B.1.1.7, B.1.351, and P.1 lineages, harbor frequent mutations within the NTD supersite, suggesting ongoing selective pressure and the importance of NTD-specific neutralizing mAbs for protective immunity and vaccine design.

SARS-CoV-2 enters cells using its Spike protein, which is also the main target of neutralizing antibodies. Therefore, assays to measure how antibodies and sera affect Spike-mediated viral infection are important for studying immunity. Because SARS-CoV-2 is a biosafety-level-3 virus, one way to simplify such assays is to pseudotype biosafety-level-2 viral particles with Spike. Such pseudotyping has now been described for single-cycle lentiviral, retroviral, and vesicular stomatitis virus (VSV) particles, but the reagents and protocols are not widely available. Here, we detailed how to effectively pseudotype lentiviral particles with SARS-CoV-2 Spike and infect 293T cells engineered to express the SARS-CoV-2 receptor, ACE2. We also made all the key experimental reagents available in the BEI Resources repository of ATCC and the NIH. Furthermore, we demonstrated how these pseudotyped lentiviral particles could be used to measure the neutralizing activity of human sera or plasma against SARS-CoV-2 in convenient luciferase-based assays, thereby providing a valuable complement to ELISA-based methods that measure antibody binding rather than neutralization.

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.

The tremendous pandemic potential of coronaviruses was demonstrated twice in the past few decades by two global outbreaks of deadly pneumonia. The coronavirus spike (S) glycoprotein initiates infection by promoting fusion of the viral and cellular membranes through conformational changes that remain largely uncharacterized. Here we report the cryoEM structure of a coronavirus S glycoprotein in the postfusion state, showing large-scale secondary, tertiary, and quaternary rearrangements compared with the prefusion trimer and rationalizing the free-energy landscape of this conformational machine. We also biochemically characterized the molecular events associated with refolding of the metastable prefusion S glycoprotein to the postfusion conformation using limited proteolysis, mass spectrometry, and single-particle EM. The observed similarity between postfusion coronavirus S and paramyxovirus F structures demonstrates that a conserved refolding trajectory mediates entry of these viruses and supports the evolutionary relatedness of their fusion subunits. Finally, our data provide a structural framework for understanding the mode of neutralization of antibodies targeting the fusion machinery and for engineering next-generation subunit vaccines or inhibitors against this medically important virus family.

Coronaviruses cause respiratory tract infections in humans and outbreaks of deadly pneumonia worldwide. Infections are initiated by the transmembrane spike (S) glycoprotein, which binds to host receptors and fuses the viral and cellular membranes. To understand the molecular basis of coronavirus attachment to oligosaccharide receptors, we determined cryo-EM structures of coronavirus OC43 S glycoprotein trimer in isolation and in complex with a 9-O-acetylated sialic acid. We show that the ligand binds with fast kinetics to a surface-exposed groove and that interactions at the identified site are essential for S-mediated viral entry into host cells, but free monosaccharide does not trigger fusogenic conformational changes. The receptor-interacting site is conserved in all coronavirus S glycoproteins that engage 9-O-acetyl-sialogycans, with an architecture similar to those of the ligand-binding pockets of coronavirus hemagglutinin esterases and influenza virus C/D hemagglutinin-esterase fusion glycoproteins. Our results demonstrate these viruses evolved similar strategies to engage sialoglycans at the surface of target cells.