Emergence of SARS-CoV-2 variants of concern (VOCs), including the highly transmissible Omicron and Delta strains, has posed constant challenges to the current COVID-19 vaccines that principally target the viral spike protein (S). Here, we report a nucleoside-modified messenger RNA (mRNA) vaccine that expresses the more conserved viral nucleoprotein (mRNA-N) and show that mRNA-N vaccination alone can induce modest control of SARS-CoV-2. Critically, combining mRNA-N with the clinically proven S-expressing mRNA vaccine (mRNA-S+N) induced robust protection against both Delta and Omicron variants. In the hamster models of SARS-CoV-2 VOC challenge, we demonstrated that, compared to mRNA-S alone, combination mRNA-S+N vaccination not only induced more robust control of the Delta and Omicron variants in the lungs but also provided enhanced protection in the upper respiratory tract. In vivo CD8 + T cell depletion suggested a potential role for CD8 + T cells in protection conferred by mRNA-S+N vaccination. Antigen-specific immune analyses indicated that N-specific immunity, as well as augmented S-specific immunity, was associated with enhanced protection elicited by the combination mRNA vaccination. Our findings suggest that combined mRNA-S+N vaccination is an effective approach for promoting broad protection against SARS-CoV-2 variants.

We engineered three SARS-CoV-2 viruses containing key spike mutations from the newly emerged United Kingdom (UK) and South African (SA) variants: N501Y from UK and SA; 69/70-deletion+N501Y+D614G from UK; and E484K+N501Y+D614G from SA. Neutralization geometric mean titers (GMTs) of twenty BTN162b2 vaccine-elicited human sera against the three mutant viruses were 0.81- to 1.46-fold of the GMTs against parental virus, indicating small effects of these mutations on neutralization by sera elicited by two BNT162b2 doses.

Abstract The BNT162b2 bivalent BA.4/5 COVID-19 vaccine has been authorized to mitigate COVID-19 due to current Omicron and potentially future variants. New sublineages of SARS-CoV-2 Omicron continue to emerge and have acquired additional mutations, particularly in the spike protein, that may lead to improved viral fitness and immune evasion. The present study characterized neutralization activities against new Omicron sublineages BA.4.6, BA.2.75.2, BQ.1.1, and XBB.1 after a 4 th dose (following three doses of BNT162b2) of either the original monovalent BNT162b2 or the bivalent BA.4/5 booster in individuals >55 years of age. For all participants, the 4 th dose of monovalent BNT162b2 vaccine induced a 3.0×, 2.9×, 2.3×, 2.1×, 1.8×, and 1.5× geometric mean neutralizing titer fold rise (GMFR) against USA/WA1-2020 (a strain isolated in January 2020), BA.4/5, BA.4.6, BA.2.75.2, BQ.1.1, and XBB.1, respectively; the bivalent vaccine induced 5.8×, 13.0×, 11.1×, 6.7×, 8.7×, and 4.8× GMFRs. For individuals without SARS-CoV-2 infection history, BNT162b2 monovalent induced 4.4×, 3.0×, 2.5×, 2.0×, 1.5×, and 1.3× GMFRs, respectively; the bivalent vaccine induced 9.9×, 26.4×, 22.2×, 8.4×, 12.6×, and 4.7× GMFRs. These data suggest the bivalent BA.4/5 vaccine is more immunogenic than the original BNT162b2 monovalent vaccine against circulating Omicron sublineages, including BQ.1.1 that is becoming prevalent globally.

Abstract The newly emerged SARS-CoV-2 Omicron BQ.1.1, XBB.1, and other sublineages have accumulated additional spike mutations that may affect vaccine effectiveness. Here we report neutralizing activities of three human serum panels collected from individuals 1-3 months after dose 4 of parental mRNA vaccine (post-dose-4), 1 month after a BA.5-bivalent-booster (BA.5-bivalent-booster), or 1 month after a BA.5-bivalent-booster with previous SARS-CoV-2 infection (BA.5-bivalent-booster-infection). Post-dose-4 sera neutralized USA-WA1/2020, BA.5, BF.7, BA.4.6, BA.2.75.2, BQ.1.1, and XBB.1 SARS-CoV-2 with geometric mean titers (GMTs) of 1533, 95, 69, 62, 26, 22, and 15, respectively; BA.5-bivalent-booster sera improved the GMTs to 3620, 298, 305, 183, 98, 73, and 35; BA.5-bivalent-booster-infection sera further increased the GMTs to 5776, 1558,1223, 744, 367, 267, and 103. Thus, although BA.5-bivalent-booster elicits better neutralization than parental vaccine, it does not produce robust neutralization against the newly emerged Omicron BA.2.75.2, BQ.1.1, and XBB.1. Previous infection enhances the magnitude and breadth of BA.5-bivalent-booster-elicited neutralization.

Abstract A high-throughput platform would greatly facilitate COVID-19 serological testing and antiviral screening. Here we report a nanoluciferase SARS-CoV-2 (SARS-CoV-2-Nluc) that is genetically stable and replicates similarly to the wild-type virus in cell culture. We demonstrate that the optimized reporter virus assay in Vero E6 cells can be used to measure neutralizing antibody activity in patient sera and produces results in concordance with a plaque reduction neutralization test (PRNT). Compared with the low-throughput PRNT (3 days), the SARS-CoV-2-Nluc assay has substantially shorter turnaround time (5 hours) with a high-throughput testing capacity. Thus, the assay can be readily deployed for large-scale vaccine evaluation and neutralizing antibody testing in humans. Additionally, we developed a high-throughput antiviral assay using SARS-CoV-2-Nluc infection of A549 cells expressing human ACE2 receptor (A549-hACE2). When tested against this reporter virus, remdesivir exhibited substantially more potent activity in A549-hACE2 cells compared to Vero E6 cells (EC 50 0.115 vs 1.28 μM), while this difference was not observed for chloroquine (EC 50 1.32 vs 3.52 μM), underscoring the importance of selecting appropriate cells for antiviral testing. Using the optimized SARS-CoV-2-Nluc assay, we evaluated a collection of approved and investigational antivirals and other anti-infective drugs. Nelfinavir, rupintrivir, and cobicistat were identified as the most selective inhibitors of SARS-CoV-2-Nluc (EC 50 0.77 to 2.74 μM). In contrast, most of the clinically approved antivirals, including tenofovir alafenamide, emtricitabine, sofosbuvir, ledipasvir, and velpatasvir were inactive at concentrations up to 10 μM. Collectively, this high-throughput platform represents a reliable tool for rapid neutralization testing and antiviral screening for SARS-CoV-2.

The emergence of SARS-CoV-2 has resulted in a worldwide pandemic causing significant damage to public health and the economy. Efforts to understand the mechanisms of COVID-19 disease have been hampered by the lack of robust mouse models. To overcome this barrier, we utilized a reverse genetic system to generate a mouse-adapted strain of SARS-CoV-2. Incorporating key mutations found in SARSCoV-2 variants, this model recapitulates critical elements of human infection including viral replication in the lung, immune cell infiltration, and significant in vivo disease. Importantly, mouse-adaptation of SARS-CoV-2 does not impair replication in human airway cells and maintains antigenicity similar to human SARS-CoV-2 strains. Utilizing this model, we demonstrate that SARS-CoV-2 infected mice are protected from lethal challenge with the original SARS-CoV, suggesting immunity from heterologous CoV strains. Together, the results highlight the utility of this mouse model for further study of SARS-CoV-2 infection and disease.

The emergence of antigenically distinct severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) variants with increased transmissibility is a public health threat. Some of these variants show substantial resistance to neutralization by SARS-CoV-2 infection- or vaccination-induced antibodies, which principally target the receptor binding domain (RBD) on the virus spike glycoprotein. Here, we describe 2C08, a SARS-CoV-2 mRNA vaccine-induced germinal center B cell-derived human monoclonal antibody that binds to the receptor binding motif within the RBD. 2C08 broadly neutralizes SARS-CoV-2 variants with remarkable potency and reduces lung inflammation, viral load, and morbidity in hamsters challenged with either an ancestral SARS-CoV-2 strain or a recent variant of concern. Clonal analysis identified 2C08-like public clonotypes among B cell clones responding to SARS-CoV-2 infection or vaccination in at least 20 out of 78 individuals. Thus, 2C08-like antibodies can be readily induced by SARS-CoV-2 vaccines and mitigate resistance by circulating variants of concern.Protection against SARS-CoV-2 variants by a potently neutralizing vaccine-induced human monoclonal antibody.

Abstract Epidemiological studies of the COVID-19 pandemic have revealed evidence of cardiac involvement and documented that myocardial injury and myocarditis are predictors of poor outcomes. Nonetheless, little is understood regarding SARS-CoV-2 tropism within the heart and whether cardiac complications result directly from myocardial infection. Here, we develop a human engineered heart tissue model and demonstrate that SARS-CoV-2 selectively infects cardiomyocytes. Viral infection is dependent on expression of angiotensin-I converting enzyme 2 (ACE2) and endosomal cysteine proteases, suggesting an endosomal mechanism of cell entry. After infection with SARS-CoV-2, engineered tissues display typical features of myocarditis, including cardiomyocyte cell death, impaired cardiac contractility, and innate immune cell activation. Consistent with these findings, autopsy tissue obtained from individuals with COVID-19 myocarditis demonstrated cardiomyocyte infection, cell death, and macrophage-predominate immune cell infiltrate. These findings establish human cardiomyocyte tropism for SARS-CoV-2 and provide an experimental platform for interrogating and mitigating cardiac complications of COVID-19.

Abstract We report the antibody neutralization against Omicron SARS-CoV-2 after 2 and 3 doses of BNT162b2 mRNA vaccine. Vaccinated individuals were serially tested for their neutralization against wild-type SARS-CoV-2 (strain USA-WA1/2020) and an engineered USA-WA1/2020 bearing the Omicron spike glycoprotein. Plaque reduction neutralization results showed that at 2 or 4 weeks post-dose-2, the neutralization geometric mean titers (GMTs) were 511 and 20 against the wild-type and Omicron-spike viruses, respectively, suggesting that two doses of BNT162b2 were not sufficient to elicit robust neutralization against Omicron; at 1 month post-dose-3, the neutralization GMTs increased to 1342 and 336, respectively, indicating that three doses of vaccine increased the magnitude and breadth of neutralization against Omicron; at 4 months post-dose-3, the neutralization GMTs decreased to 820 and 171, respectively, suggesting similar neutralization decay kinetics for both variants. The data support a three-dose vaccine strategy and provide the first glimpse of the neutralization durability against Omicron.

While SARS-CoV-2 continues to adapt for human infection and transmission, genetic variation outside of the spike gene remains largely unexplored. This study investigates a highly variable region at residues 203-205 in the SARS-CoV-2 nucleocapsid protein. Recreating a mutation found in the alpha and omicron variants in an early pandemic (WA-1) background, we find that the R203K+G204R mutation is sufficient to enhance replication, fitness, and pathogenesis of SARS-CoV-2. The R203K+G204R mutant corresponds with increased viral RNA and protein both in vitro and in vivo . Importantly, the R203K+G204R mutation increases nucleocapsid phosphorylation and confers resistance to inhibition of the GSK-3 kinase, providing a molecular basis for increased virus replication. Notably, analogous alanine substitutions at positions 203+204 also increase SARS-CoV-2 replication and augment phosphorylation, suggesting that infection is enhanced through ablation of the ancestral 'RG' motif. Overall, these results demonstrate that variant mutations outside spike are key components in SARS-CoV-2's continued adaptation to human infection.Since its emergence, SARS-CoV-2 has continued to adapt for human infection resulting in the emergence of variants with unique genetic profiles. Most studies of genetic variation have focused on spike, the target of currently available vaccines, leaving the importance of variation elsewhere understudied. Here, we characterize a highly variable motif at residues 203-205 in nucleocapsid. Recreating the prominent nucleocapsid R203K+G204R mutation in an early pandemic background, we show that this mutation is alone sufficient to enhance SARS-CoV-2 replication and pathogenesis. We also link augmentation of SARS-CoV-2 infection by the R203K+G204R mutation to its modulation of nucleocapsid phosphorylation. Finally, we characterize an analogous alanine double substitution at positions 203-204. This mutant was found to mimic R203K+G204R, suggesting augmentation of infection occurs by disrupting the ancestral sequence. Together, our findings illustrate that mutations outside of spike are key components of SARS-CoV-2's adaptation to human infection.