Monoclonal antibodies and antibody cocktails are a promising therapeutic and prophylaxis for COVID-19. However, ongoing evolution of SARS-CoV-2 can render monoclonal antibodies ineffective. Here we completely map all 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 escape LY-CoV016). Additionally, 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 should diversify the epitopes targeted by antibodies and antibody cocktails to make them more resilient to antigenic evolution of SARS-CoV-2.

Antibodies are becoming a frontline therapy for SARS-CoV-2, but the risk of viral evolutionary escape remains unclear. Here we map how all mutations to SARS-CoV-2's receptor-binding domain (RBD) affect binding by the antibodies in Regeneron's REGN-COV2 cocktail and Eli Lilly's LY-CoV016. These complete maps uncover a single amino-acid mutation that fully escapes the REGN-COV2 cocktail, which consists of two antibodies targeting distinct structural epitopes. The maps also identify viral mutations that are selected in a persistently infected patient treated with REGN-COV2, as well as in lab viral escape selections. Finally, the maps reveal that mutations escaping each individual antibody are already present in circulating SARS-CoV-2 strains. Overall, these complete escape maps enable immediate interpretation of the consequences of mutations observed during viral surveillance.

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.

ABSTRACT A key goal of SARS-CoV-2 surveillance is to rapidly identify viral variants with mutations that reduce neutralization by polyclonal antibodies elicited by vaccination or infection. Unfortunately, direct experimental characterization of new viral variants lags their sequence-based identification. Here we help address this challenge by aggregating deep mutational scanning data into an “escape calculator” that estimates the antigenic effects of arbitrary combinations of mutations to the virus’s spike receptor-binding domain (RBD). The calculator can be used to intuitively visualize how mutations impact polyclonal antibody recognition, and score the expected antigenic effect of combinations of mutations. These scores correlate with neutralization assays performed on SARS-CoV-2 variants, and emphasize the ominous antigenic properties of the recently described Omicron variant. An interactive version of the calculator is at https://jbloomlab.github.io/SARS2_RBD_Ab_escape_maps/escape-calc/ , and we provide a Python module for batch processing.

Understanding the evolution of antibody immunity following heterologous SAR-CoV-2 breakthrough infection will inform the development of next-generation vaccines. Here, we tracked SARS-CoV-2 receptor binding domain (RBD)-specific antibody responses up to six months following Omicron BA.1 breakthrough infection in mRNA-vaccinated individuals. Cross-reactive serum neutralizing antibody and memory B cell (MBC) responses declined by two- to four-fold through the study period. Breakthrough infection elicited minimal de novo Omicron-specific B cell responses but drove affinity maturation of pre-existing cross-reactive MBCs toward BA.1. Public clones dominated the neutralizing antibody response at both early and late time points, and their escape mutation profiles predicted newly emergent Omicron sublineages. The results demonstrate that heterologous SARS-CoV-2 variant exposure drives the evolution of B cell memory and suggest that convergent neutralizing antibody responses continue to shape viral evolution.

An ideal anti-SARS-CoV-2 antibody would resist viral escape 1-3 , have activity against diverse SARS-related coronaviruses 4-7 , and be highly protective through viral neutralization 8-11 and effector functions 12,13 . Understanding how these properties relate to each other and vary across epitopes would aid development of antibody therapeutics 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), including S309 4 , the parental antibody of the late-stage clinical antibody VIR-7831. We observe a tradeoff between SARS-CoV-2 in vitro neutralization potency and breadth of binding across SARS-related coronaviruses. Nevertheless, we identify several neutralizing antibodies with exceptional breadth and resistance to escape, including a new antibody (S2H97) that binds with high affinity to all SARS-related coronavirus clades via a unique RBD epitope centered on residue E516. S2H97 and other escape-resistant antibodies have high binding affinity and target functionally constrained RBD residues. We find that antibodies targeting the ACE2 receptor binding motif (RBM) typically have poor breadth and are readily escaped by mutations despite high neutralization potency, but we identify one potent RBM antibody (S2E12) with breadth across sarbecoviruses closely related to SARS-CoV-2 and with a high barrier to viral escape. These data highlight functional diversity among antibodies targeting the RBD and identify epitopes and features to prioritize for antibody and vaccine development against the current and potential future pandemics.

The emergence of SARS-CoV-2 variants with mutations in key antibody epitopes has raised concerns that antigenic evolution will erode immunity. The susceptibility of immunity to viral evolution is shaped in part by the breadth of epitopes targeted. Here we compare the specificity of antibodies elicited by the mRNA-1273 vaccine versus natural infection. The neutralizing activity of vaccine-elicited antibodies is even more focused on the spike receptor-binding domain (RBD) than for infection-elicited antibodies. However, within the RBD, binding of vaccine-elicited antibodies is more broadly distributed across epitopes than for infection-elicited antibodies. This greater binding breadth means single RBD mutations have less impact on neutralization by vaccine sera than convalescent sera. Therefore, antibody immunity acquired by different means may have differing susceptibility to erosion by viral evolution.Deep mutational scanning shows the mRNA-1273 RBD-binding antibody response is less affected by single viral mutations than the infection response.

Abstract SARS-CoV-2 continues to acquire mutations in the spike receptor-binding domain (RBD) that impact ACE2 receptor binding, folding stability, and antibody recognition. Deep mutational scanning prospectively characterizes the impacts of mutations on these biochemical properties, enabling rapid assessment of new mutations seen during viral surveillance. However, the effects of mutations can change as the virus evolves, requiring updated deep mutational scans. We determined the impacts of all amino acid mutations in the Omicron BA.1 and BA.2 RBDs on ACE2-binding affinity, RBD folding, and escape from binding by the LY-CoV1404 (bebtelovimab) monoclonal antibody. The effects of some mutations in Omicron RBDs differ from those measured in the ancestral Wuhan-Hu-1 background. These epistatic shifts largely resemble those previously seen in the Beta variant due to the convergent epistatically modifying N501Y substitution. However, Omicron variants show additional lineage-specific shifts, including examples of the epistatic phenomenon of entrenchment that causes the Q498R and N501Y substitutions present in Omicron to be more favorable in that background than in earlier viral strains. In contrast, the Omicron substitution Q493R exhibits no sign of entrenchment, with the derived state, R493, being as unfavorable for ACE2 binding in Omicron RBDs as in Wuhan-Hu-1. Likely for this reason, the R493Q reversion has occurred in Omicron sub-variants including BA.4/BA.5 and BA.2.75, where the affinity buffer from R493Q reversion may potentiate concurrent antigenic change. Consistent with prior studies, we find that Omicron RBDs have reduced expression, and identify candidate stabilizing mutations that ameliorate this deficit. Last, our maps highlight a broadening of the sites of escape from LY-CoV1404 antibody binding in BA.1 and BA.2 compared to the ancestral Wuhan-Hu-1 background. These BA.1 and BA.2 deep mutational scanning datasets identify shifts in the RBD mutational landscape and inform ongoing efforts in viral surveillance. Author Summary SARS-CoV-2 evolves in part through mutations in its spike receptor-binding domain. As these mutations accumulate in evolved variants, they shape the future evolutionary potential of the virus through the phenomenon of epistasis. We characterized the functional impacts of mutations in the Omicron BA.1 and BA.2 receptor-binding domains on ACE2 receptor binding, protein folding, and recognition by the clinical LY-CoV1404 antibody. We then compared the measurements to prior data for earlier variants. These comparisons identify patterns of epistasis that may alter future patterns of Omicron evolution, such as turnover in the availability of specific affinity-enhancing mutations and an expansion in the number of paths of antibody escape from a key monoclonal antibody used for therapeutic treatment of COVID-19. This work informs continued efforts in viral surveillance and forecasting.

Two different sarbecoviruses have caused major human outbreaks in the last two decades 1,2 . Both these sarbecoviruses, SARS-CoV-1 and SARS-CoV-2, engage ACE2 via the spike receptor-binding domain (RBD) 2–6 . However, binding to ACE2 orthologs from humans, bats, and other species has been observed only sporadically among the broader diversity of bat sarbecoviruses 7–11 . Here, we use high-throughput assays 12 to trace the evolutionary history of ACE2 binding across a diverse range of sarbecoviruses and ACE2 orthologs. We find that ACE2 binding is an ancestral trait of sarbecovirus RBDs that has subsequently been lost in some clades. Furthermore, we demonstrate for the first time that bat sarbecoviruses from outside Asia can bind ACE2. In addition, ACE2 binding is highly evolvable: for many sarbecovirus RBDs there are single amino-acid mutations that enable binding to new ACE2 orthologs. However, the effects of individual mutations can differ markedly between viruses, as illustrated by the N501Y mutation which enhances human ACE2 binding affinity within several SARS-CoV-2 variants of concern 12 but severely dampens it for SARS-CoV-1. Our results point to the deep ancestral origin and evolutionary plasticity of ACE2 binding, broadening consideration of the range of sarbecoviruses with spillover potential.

ABSTRACT The origin and early spread of SARS-CoV-2 remains shrouded in mystery. Here I identify a data set containing SARS-CoV-2 sequences from early in the Wuhan epidemic that has been deleted from the NIH’s Sequence Read Archive. I recover the deleted files from the Google Cloud, and reconstruct partial sequences of 13 early epidemic viruses. Phylogenetic analysis of these sequences in the context of carefully annotated existing data further supports the idea that the Huanan Seafood Market sequences are not fully representative of the viruses in Wuhan early in the epidemic. Instead, the progenitor of currently known SARS-CoV-2 sequences likely contained three mutations relative to the market viruses that made it more similar to SARS-CoV-2’s bat coronavirus relatives.