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.

The evolution of SARS-CoV-2 could impair recognition of the virus by human antibody-mediated immunity. To facilitate prospective surveillance for such evolution, we map how convalescent plasma antibodies are impacted by all mutations to the spike's receptor-binding domain (RBD), the main target of plasma neutralizing activity. Binding by polyclonal plasma antibodies is affected by mutations in three main epitopes in the RBD, but longitudinal samples reveal that the impact of these mutations on antibody binding varies substantially both among individuals and within the same individual over time. Despite this inter- and intra-person heterogeneity, the mutations that most reduce antibody binding usually occur at just a few sites in the RBD's receptor-binding motif. The most important site is E484, where neutralization by some plasma is reduced >10-fold by several mutations, including one in the emerging 20H/501Y.V2 and 20J/501Y.V3 SARS-CoV-2 lineages. Going forward, these plasma escape maps can inform surveillance of SARS-CoV-2 evolution.

Antibodies targeting the SARS-CoV-2 spike receptor-binding domain (RBD) are being developed as therapeutics and are a major contributor to neutralizing antibody responses elicited by infection. Here, we describe a deep mutational scanning method to map how all amino-acid mutations in the RBD affect antibody binding and apply this method to 10 human monoclonal antibodies. The escape mutations cluster on several surfaces of the RBD that broadly correspond to structurally defined antibody epitopes. However, even antibodies targeting the same surface often have distinct escape mutations. The complete escape maps predict which mutations are selected during viral growth in the presence of single antibodies. They further enable the design of escape-resistant antibody cocktails—including cocktails of antibodies that compete for binding to the same RBD surface but have different escape mutations. Therefore, complete escape-mutation maps enable rational design of antibody therapeutics and assessment of the antigenic consequences of viral evolution.

Antibodies are a potential therapy for severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), but the risk of the virus evolving to escape them remains unclear. Here we map how all mutations to the receptor binding domain (RBD) of SARS-CoV-2 affect binding by the antibodies in the REGN-COV2 cocktail and the antibody LY-CoV016. These complete maps uncover a single amino acid mutation that fully escapes the REGN-COV2 cocktail, which consists of two antibodies, REGN10933 and REGN10987, targeting distinct structural epitopes. The maps also identify viral mutations that are selected in a persistently infected patient treated with REGN-COV2 and during in vitro viral escape selections. Finally, the maps reveal that mutations escaping the individual antibodies are already present in circulating SARS-CoV-2 strains. These complete escape maps enable interpretation of the consequences of mutations observed during viral surveillance.

Monoclonal antibodies and antibody cocktails are a promising therapeutic and prophylaxis for coronavirus disease 2019 (COVID-19). However, ongoing evolution of severe acute respiratory syndrome-coronavirus-2 (SARS-CoV-2) can render monoclonal antibodies ineffective. Here, we completely map all of the mutations to the SARS-CoV-2 spike receptor-binding domain (RBD) that escape binding by a leading monoclonal antibody, LY-CoV555, and its cocktail combination with LY-CoV016. Individual mutations that escape binding by each antibody are combined in the circulating B.1.351 and P.1 SARS-CoV-2 lineages (E484K escapes LY-CoV555, K417N/T escapes LY-CoV016). In addition, the L452R mutation in the B.1.429 lineage escapes LY-CoV555. Furthermore, we identify single amino acid changes that escape the combined LY-CoV555+LY-CoV016 cocktail. We suggest that future efforts diversify the epitopes targeted by antibodies and antibody cocktails to make them more resilient to the antigenic evolution of SARS-CoV-2.

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.

Monoclonal antibodies targeting a variety of epitopes have been isolated from individuals previously infected with SARS-CoV-2, but the relative contributions of these different antibody classes to the polyclonal response remains unclear. Here we use a yeast-display system to map all mutations to the viral spike receptor-binding domain (RBD) that escape binding by representatives of three potently neutralizing classes of anti-RBD antibodies with high-resolution structures. We compare the antibody-escape maps to similar maps for convalescent polyclonal plasmas, including plasmas from individuals from whom some of the antibodies were isolated. While the binding of polyclonal plasma antibodies are affected by mutations across multiple RBD epitopes, the plasma-escape maps most resemble those of a single class of antibodies that target an epitope on the RBD that includes site E484. Therefore, although the human immune system can produce antibodies that target diverse RBD epitopes, in practice the polyclonal response to infection is skewed towards a single class of antibodies targeting an epitope that is already undergoing rapid evolution.

Understanding the molecular basis for immune recognition of SARS-CoV-2 spike glycoprotein antigenic sites will inform the development of improved therapeutics. We determined the structures of two human monoclonal antibodies–AZD8895 and AZD1061–which form the basis of the investigational antibody cocktail AZD7442, in complex with the receptor-binding domain (RBD) of SARS-CoV-2 to define the genetic and structural basis of neutralization. AZD8895 forms an 'aromatic cage' at the heavy/light chain interface using germ line-encoded residues in complementarity-determining regions (CDRs) 2 and 3 of the heavy chain and CDRs 1 and 3 of the light chain. These structural features explain why highly similar antibodies (public clonotypes) have been isolated from multiple individuals. AZD1061 has an unusually long LCDR1; the HCDR3 makes interactions with the opposite face of the RBD from that of AZD8895. Using deep mutational scanning and neutralization escape selection experiments, we comprehensively mapped the crucial binding residues of both antibodies and identified positions of concern with regards to virus escape from antibody-mediated neutralization. Both AZD8895 and AZD1061 have strong neutralizing activity against SARS-CoV-2 and variants of concern with antigenic substitutions in the RBD. We conclude that germ line-encoded antibody features enable recognition of the SARS-CoV-2 spike RBD and demonstrate the utility of the cocktail AZD7442 in neutralizing emerging variant viruses. Structural analysis of two human monoclonal antibodies that conform the antibody cocktail AZD7442, in complex with the RBD of SARS-CoV-2, reveal strong neutralization of SARS-CoV-2 variants of concern.

The emergence of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) variants with mutations in key antibody epitopes has raised concerns that antigenic evolution could erode adaptive immunity elicited by prior infection or vaccination. The susceptibility of immunity to viral evolution is shaped in part by the breadth of epitopes targeted by antibodies elicited by vaccination or natural infection. To investigate how human antibody responses to vaccines are influenced by viral mutations, we used deep mutational scanning to compare the specificity of polyclonal antibodies elicited by either two doses of the mRNA-1273 COVID-19 vaccine or natural infection with SARS-CoV-2. The neutralizing activity of vaccine-elicited antibodies was more targeted to the receptor-binding domain (RBD) of the SARS-CoV-2 spike protein compared to antibodies elicited by natural infection. However, within the RBD, binding of vaccine-elicited antibodies was more broadly distributed across epitopes compared to infection-elicited antibodies. This greater binding breadth means that single RBD mutations have less impact on neutralization by vaccine sera compared to convalescent sera. Therefore, antibody immunity acquired by natural infection or different modes of vaccination may have a differing susceptibility to erosion by SARS-CoV-2 evolution.