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

Transmission of SARS-CoV-2 is uncontrolled in many parts of the world; control is compounded in some areas by the higher transmission potential of the B.1.1.7 variant1, which has now been reported in 94 countries. It is unclear whether the response of the virus to vaccines against SARS-CoV-2 on the basis of the prototypic strain will be affected by the mutations found in B.1.1.7. Here we assess the immune responses of individuals after vaccination with the mRNA-based vaccine BNT162b22. We measured neutralizing antibody responses after the first and second immunizations using pseudoviruses that expressed the wild-type spike protein or a mutated spike protein that contained the eight amino acid changes found in the B.1.1.7 variant. The sera from individuals who received the vaccine exhibited a broad range of neutralizing titres against the wild-type pseudoviruses that were modestly reduced against the B.1.1.7 variant. This reduction was also evident in sera from some patients who had recovered from COVID-19. Decreased neutralization of the B.1.1.7 variant was also observed for monoclonal antibodies that target the N-terminal domain (9 out of 10) and the receptor-binding motif (5 out of 31), but not for monoclonal antibodies that recognize the receptor-binding domain that bind outside the receptor-binding motif. Introduction of the mutation that encodes the E484K substitution in the B.1.1.7 background to reflect a newly emerged variant of concern (VOC 202102/02) led to a more-substantial loss of neutralizing activity by vaccine-elicited antibodies and monoclonal antibodies (19 out of 31) compared with the loss of neutralizing activity conferred by the mutations in B.1.1.7 alone. The emergence of the E484K substitution in a B.1.1.7 background represents a threat to the efficacy of the BNT162b2 vaccine. Sera from vaccinated individuals and some monoclonal antibodies show a modest reduction in neutralizing activity against the B.1.1.7 variant of SARS-CoV-2; but the E484K substitution leads to a considerable loss of neutralizing activity.

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.

SARS-CoV-2 from alpha to epsilon As battles to contain the COVID-19 pandemic continue, attention is focused on emerging variants of the severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) virus that have been deemed variants of concern because they are resistant to antibodies elicited by infection or vaccination or they increase transmissibility or disease severity. Three papers used functional and structural studies to explore how mutations in the viral spike protein affect its ability to infect host cells and to evade host immunity. Gobeil et al . looked at a variant spike protein involved in transmission between minks and humans, as well as the B1.1.7 (alpha), B.1.351 (beta), and P1 (gamma) spike variants; Cai et al . focused on the alpha and beta variants; and McCallum et al . discuss the properties of the spike protein from the B1.1.427/B.1.429 (epsilon) variant. Together, these papers show a balance among mutations that enhance stability, those that increase binding to the human receptor ACE2, and those that confer resistance to neutralizing antibodies. —VV

Targeting a range of betacoranaviruses In the past 20 years, three highly pathogenic β-coronaviruses have crossed from animals to humans, including the most recent: severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2). A spike protein that decorates these viruses has an S1 domain that binds host cell receptors and an S2 domain that fuses the viral and cell membranes to allow cell entry. The S1 domain is the target of many neutralizing antibodies but is more genetically variable than S2, and antibodies can exert selective pressure, leading to resistant variants. Pinto et al . identified five monoclonal antibodies that interact with a helix in the S2 domain. The most broadly neutralizing antibody inhibited all β-coronavirus subgenera and reduced viral burden in hamsters infected with SARS-CoV-2. —VV

SUMMARY The recently emerged SARS-CoV-2 Omicron variant harbors 37 amino acid substitutions in the spike (S) protein, 15 of which are in the receptor-binding domain (RBD), thereby raising concerns about the effectiveness of available vaccines and antibody therapeutics. Here, we show that the Omicron RBD binds to human ACE2 with enhanced affinity relative to the Wuhan-Hu-1 RBD and acquires binding to mouse ACE2. Severe reductions of plasma neutralizing activity were observed against Omicron compared to the ancestral pseudovirus for vaccinated and convalescent individuals. Most (26 out of 29) receptor-binding motif (RBM)-directed monoclonal antibodies (mAbs) lost in vitro neutralizing activity against Omicron, with only three mAbs, including the ACE2-mimicking S2K146 mAb 1 , retaining unaltered potency. Furthermore, a fraction of broadly neutralizing sarbecovirus mAbs recognizing antigenic sites outside the RBM, including sotrovimab 2 , S2X259 3 and S2H97 4 , neutralized Omicron. The magnitude of Omicron-mediated immune evasion and the acquisition of binding to mouse ACE2 mark a major SARS-CoV-2 mutational shift. Broadly neutralizing sarbecovirus mAbs recognizing epitopes conserved among SARS-CoV-2 variants and other sarbecoviruses may prove key to controlling the ongoing pandemic and future zoonotic spillovers.

Abstract Currently circulating SARS-CoV-2 variants have acquired convergent mutations at hot spots in the receptor-binding domain 1 (RBD) of the spike protein. The effects of these mutations on viral infection and transmission and the efficacy of vaccines and therapies remains poorly understood. Here we demonstrate that recently emerged BQ.1.1 and XBB.1.5 variants bind host ACE2 with high affinity and promote membrane fusion more efficiently than earlier Omicron variants. Structures of the BQ.1.1, XBB.1 and BN.1 RBDs bound to the fragment antigen-binding region of the S309 antibody (the parent antibody for sotrovimab) and human ACE2 explain the preservation of antibody binding through conformational selection, altered ACE2 recognition and immune evasion. We show that sotrovimab binds avidly to all Omicron variants, promotes Fc-dependent effector functions and protects mice challenged with BQ.1.1 and hamsters challenged with XBB.1.5. Vaccine-elicited human plasma antibodies cross-react with and trigger effector functions against current Omicron variants, despite a reduced neutralizing activity, suggesting a mechanism of protection against disease, exemplified by S309. Cross-reactive RBD-directed human memory B cells remained dominant even after two exposures to Omicron spikes, underscoring the role of persistent immune imprinting.

SARS-CoV-2 Omicron sublineages carry distinct spike mutations and represent an antigenic shift resulting in escape from antibodies induced by previous infection or vaccination. We show that hybrid immunity or vaccine boosters result in potent plasma neutralizing activity against Omicron BA.1 and BA.2 and that breakthrough infections, but not vaccination-only, induce neutralizing activity in the nasal mucosa. Consistent with immunological imprinting, most antibodies derived from memory B cells or plasma cells of Omicron breakthrough cases cross-react with the Wuhan-Hu-1, BA.1 and BA.2 receptor-binding domains whereas Omicron primary infections elicit B cells of narrow specificity. While most clinical antibodies have reduced neutralization of Omicron, we identified an ultrapotent pan-variant antibody, that is unaffected by any Omicron lineage spike mutations and is a strong candidate for clinical development.

The repeated spillovers of β-coronaviruses in humans along with the rapid emergence of SARS-CoV-2 escape variants highlight the need to develop broad coronavirus therapeutics and vaccines. Five monoclonal antibodies (mAbs) were isolated from COVID-19 convalescent individuals and found to cross-react with multiple β-coronavirus spike (S) glycoproteins by targeting the stem helix. One of these mAbs, S2P6, cross-reacts with more than twenty human and animal β-coronavirus S glycoproteins and broadly neutralizes SARS-CoV-2 and pseudotyped viruses from the sarbecovirus, merbecovirus and embecovirus subgenera. Structural and functional studies delineate the molecular basis of S2P6 cross-reactivity and broad neutralization and indicate that this mAb blocks viral entry through inhibition of membrane fusion. S2P6 protects hamsters challenged with SARS-CoV-2 (including the B.1.351 variant of concern) through viral neutralization and Fc-mediated effector functions. Serological and B cell repertoire analyses indicate that antibodies targeting the stem helix are found in some convalescent donors and vaccinees but are predominantly of narrow specificity. Germline reversion of the identified cross-reactive mAbs revealed that their unmutated ancestors are specific for the endemic OC43 or HKU1 viruses and acquired enhanced affinity and breadth through somatic mutations. These data demonstrate that conserved epitopes in the coronavirus fusion machinery can be targeted by protective antibodies and provide a framework for structure-guided design of pan-β-coronavirus vaccines eliciting broad protection.