ABSTRACT Understanding immune memory to SARS-CoV-2 is critical for improving diagnostics and vaccines, and for assessing the likely future course of the COVID-19 pandemic. We analyzed multiple compartments of circulating immune memory to SARS-CoV-2 in 254 samples from 188 COVID-19 cases, including 43 samples at ≥ 6 months post-infection. IgG to the Spike protein was relatively stable over 6+ months. Spike-specific memory B cells were more abundant at 6 months than at 1 month post symptom onset. SARS-CoV-2-specific CD4 + T cells and CD8 + T cells declined with a half-life of 3-5 months. By studying antibody, memory B cell, CD4 + T cell, and CD8 + T cell memory to SARS-CoV-2 in an integrated manner, we observed that each component of SARS-CoV-2 immune memory exhibited distinct kinetics.

ABSTRACT The development of countermeasures to prevent and treat COVID-19 is a global health priority. In under 7 weeks, we enrolled a cohort of SARS-CoV-2-recovered participants, developed neutralization assays to interrogate serum and monoclonal antibody responses, adapted our high throughput antibody isolation, production and characterization pipeline to rapidly screen over 1000 antigen-specific antibodies, and established an animal model to test protection. We report multiple highly potent neutralizing antibodies (nAbs) and show that passive transfer of a nAb provides protection against high-dose SARS-CoV-2 challenge in Syrian hamsters. The study suggests a role for nAbs in prophylaxis, and potentially therapy, of COVID-19. The nAbs define protective epitopes to guide vaccine design.

Pan-betacoronavirus neutralizing antibodies may hold the key to developing broadly protective vaccines against coronaviruses that cause severe disease, for anticipating novel pandemic-causing viruses, and to respond more effectively to SARS-CoV-2 variants. The emergence of the Omicron variant of SARS-CoV-2 has illustrated the limitations of solely targeting the receptor binding domain (RBD) of the envelope Spike (S)-protein. Here, we isolated a large panel of broadly neutralizing antibodies (bnAbs) from SARS-CoV-2 recovered-vaccinated donors that target a conserved S2 region in the fusion machinery on betacoronavirus spikes. Select bnAbs show broad in vivo protection against all three pathogenic betacoronaviruses, SARS-CoV-1, SARS-CoV-2 and MERS-CoV, that have spilled over into humans in the past 20 years to cause severe disease. The bnAbs provide new opportunities for antibody-based interventions and key insights for developing pan-betacoronavirus vaccines.

SUMMARY T cells are involved in control of SARS-CoV-2 infection. To establish the patterns of immunodominance of different SARS-CoV-2 antigens, and precisely measure virus-specific CD4 + and CD8 + T cells, we studied epitope-specific T cell responses of approximately 100 convalescent COVID-19 cases. The SARS-CoV-2 proteome was probed using 1,925 peptides spanning the entire genome, ensuring an unbiased coverage of HLA alleles for class II responses. For HLA class I, we studied an additional 5,600 predicted binding epitopes for 28 prominent HLA class I alleles, accounting for wide global coverage. We identified several hundred HLA-restricted SARS-CoV-2-derived epitopes. Distinct patterns of immunodominance were observed, which differed for CD4 + T cells, CD8 + T cells, and antibodies. The class I and class II epitopes were combined into new epitope megapools to facilitate identification and quantification of SARS-CoV-2-specific CD4 + and CD8 + T cells.

ABSTRACT To prepare for future coronavirus (CoV) pandemics, it is desirable to generate vaccines capable of eliciting neutralizing antibody responses against multiple CoVs. Because of the phylogenetic similarity to humans, rhesus macaques are an animal model of choice for many virus-challenge and vaccine-evaluation studies, including SARS-CoV-2. Here, we show that immunization of macaques with SARS-CoV-2 spike (S) protein generates potent receptor binding domain cross- neutralizing antibody (nAb) responses to both SARS-CoV-2 and SARS-CoV-1, in contrast to human infection or vaccination where responses are typically SARS-CoV-2-specific. Furthermore, the macaque nAbs are equally effective against SARS-CoV-2 variants of concern. Structural studies show that different immunodominant sites are targeted by the two primate species. Human antibodies generally target epitopes strongly overlapping the ACE2 receptor binding site (RBS), whereas the macaque antibodies recognize a relatively conserved region proximal to the RBS that represents another potential pan-SARS-related virus site rarely targeted by human antibodies. B cell repertoire differences between the two primates appear to significantly influence the vaccine response and suggest care in the use of rhesus macaques in evaluation of vaccines to SARS-related viruses intended for human use. ONE SENTENCE SUMMARY Broadly neutralizing antibodies to an unappreciated site of conservation in the RBD in SARS- related viruses can be readily induced in rhesus macaques because of distinct properties of the naïve macaque B cell repertoire that suggest prudence in the use of the macaque model in SARS vaccine evaluation and design.

The emergence of current SARS-CoV-2 variants of concern (VOCs) and potential future spillovers of SARS-like coronaviruses into humans pose a major threat to human health and the global economy 1-7 . Development of broadly effective coronavirus vaccines that can mitigate these threats is needed 8, 9 . Notably, several recent studies have revealed that vaccination of recovered COVID-19 donors results in enhanced nAb responses compared to SARS-CoV-2 infection or vaccination alone 10-13 . Here, we utilized a targeted donor selection strategy to isolate a large panel of broadly neutralizing antibodies (bnAbs) to sarbecoviruses from two such donors. Many of the bnAbs are remarkably effective in neutralization against sarbecoviruses that use ACE2 for viral entry and a substantial fraction also show notable binding to non-ACE2-using sarbecoviruses. The bnAbs are equally effective against most SARS-CoV-2 VOCs and many neutralize the Omicron variant. Neutralization breadth is achieved by bnAb binding to epitopes on a relatively conserved face of the receptor binding domain (RBD) as opposed to strain-specific nAbs to the receptor binding site that are commonly elicited in SARS-CoV-2 infection and vaccination 14-18 . Consistent with targeting of conserved sites, select RBD bnAbs exhibited in vivo protective efficacy against diverse SARS-like coronaviruses in a prophylaxis challenge model. The generation of a large panel of potent bnAbs provides new opportunities and choices for next-generation antibody prophylactic and therapeutic applications and, importantly, provides a molecular basis for effective design of pan-sarbecovirus vaccines.

Abstract A growing number of studies indicate that coronavirus disease 2019 (COVID-19) is associated with inflammatory sequelae, but molecular signatures governing the normal vs. pathologic convalescence process have not been well-delineated. We characterized global immune and proteome responses in matched plasma and saliva samples obtained from COVID-19 patients collected between 4-6 weeks after initial clinical symptoms resolved. Convalescent subjects showed robust IgA and IgG responses and positive antibody correlations between matched saliva and plasma samples. However, global shotgun proteomics revealed persistent inflammatory patterns in convalescent samples including dysfunction of salivary innate immune cells and clotting factors in plasma (e.g., fibrinogen and antithrombin), with positive correlations to acute COVID-19 disease severity. Saliva samples were characterized by higher concentrations of IgA, and proteomics showed altered pathways that correlated positively with IgA levels. Our study positions saliva as a viable fluid to monitor immunity beyond plasma to document COVID-19 immune, inflammatory, and coagulation-related sequelae.

SUMMARY SARS-CoV-2 infection and COVID-19 vaccines elicit memory T cell responses. Here, we report the development of two new pools of E xperimentally-defined T cell epitopes derived from the non-spike R emainder of the SARS-CoV-2 proteome (CD4RE and CD8RE). The combination of T cell responses to these new pools and Spike (S) were used to discriminate four groups of subjects with different SARS-CoV-2 infection and COVID-19 vaccine status: non-infected, non-vaccinated (I−V−); infected and non-vaccinated (I+V−); infected and then vaccinated (I+V+); and non-infected and vaccinated (I−V+). The overall classification accuracy based on 30 subjects/group was 89.2% in the original cohort and 88.5% in a validation cohort of 96 subjects. The T cell classification scheme was applicable to different mRNA vaccines, and different lengths of time post-infection/post-vaccination. T cell responses from breakthrough infections (infected vaccinees, V+I+) were also effectively segregated from the responses of vaccinated subjects using the same classification tool system. When all five groups where combined, for a total of 239 different subjects, the classification scheme performance was 86.6%. We anticipate that a T cell-based immunodiagnostic scheme able to classify subjects based on their vaccination and natural infection history will be an important tool for longitudinal monitoring of vaccination and aid in establishing SARS-CoV−2 correlates of protection.

ABSTRACT T cells are involved in protective immunity against numerous viral infections. Limited data have been available regarding roles of human T cell responses controlling SARS-CoV-2 viral clearance in primary COVID-19. Here, we examined longitudinal SARS-CoV-2 upper respiratory tract viral RNA levels and early adaptive immune responses from 95 unvaccinated individuals with acute COVID-19. Acute SARS-CoV-2-specific CD4 and CD8 T cell responses were evaluated in addition to antibody responses. Most individuals with acute COVID-19 developed rapid SARS-CoV-2-specific T cell responses during infection, and both early CD4 T cell and CD8 T cell responses correlated with reduced upper respiratory tract SARS-CoV-2 viral RNA, independent of neutralizing antibody titers. Overall, our findings indicate a distinct protective role for SARS-CoV-2–specific T cells during acute COVID-19.

Abstract The high transmissibility of SARS-CoV-2 is a primary driver of the COVID-19 pandemic. While existing interventions prevent severe disease, they exhibit mixed efficacy in preventing transmission, presumably due to their limited antiviral effects in the respiratory mucosa, whereas interventions targeting the sites of viral replication might more effectively limit respiratory virus transmission. Recently, intranasally administered RNA-based therapeutic interfering particles (TIPs) were reported to suppress SARS-CoV-2 replication, exhibit a high barrier to resistance, and prevent serious disease in hamsters. Since TIPs intrinsically target the tissues with the highest viral replication burden (i.e., respiratory tissues for SARS-CoV-2), we tested the potential of TIP intervention to reduce SARS-CoV-2 shedding. Here, we report that a single, post-exposure TIP dose lowers SARS-CoV-2 nasal shedding and at 5 days post-infection infectious virus shed is below detection limits in 4 out of 5 infected animals. Furthermore, TIPs reduce shedding of Delta variant or WA-1 from infected to uninfected hamsters. Co-housed ‘contact’ animals exposed to infected, TIP-treated, animals exhibited significantly lower viral loads, reduced inflammatory cytokines, no severe lung pathology, and shortened shedding duration compared to animals co-housed with untreated infected animals. TIPs may represent an effective countermeasure to limit SARS-CoV-2 transmission. Significance COVID-19 vaccines are exceptionally effective in preventing severe disease and death, but they have mixed efficacy in preventing virus transmission, consistent with established literature that parenteral vaccines for other viruses fail to prevent mucosal virus shedding or transmission. Likewise, small-molecule antivirals, while effective in reducing viral-disease pathogenesis, also appear to have inconsistent efficacy in preventing respiratory virus transmission including for SARS-CoV-2. Recently, we reported the discovery of a single-administration antiviral Therapeutic Interfering Particle (TIP) against SARS-CoV-2 that prevents severe disease in hamsters and exhibits a high genetic barrier to the evolution of resistance. Here, we report that TIP intervention also reduces SARS-CoV-2 transmission between hamsters.