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.

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

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 Infection by SARS-CoV-2 leads to diverse symptoms, which can persist for months. While antiviral antibodies are protective, those targeting interferons and other immune factors are associated with adverse COVID-19 outcomes. Instead, we discovered that antibodies against specific chemokines are omnipresent after COVID-19, associated with favorable disease, and predictive of lack of long COVID symptoms at one year post infection. Anti-chemokine antibodies are present also in HIV-1 infection and autoimmune disorders, but they target different chemokines than those in COVID-19. Monoclonal antibodies derived from COVID- 19 convalescents that bind to the chemokine N-loop impair cell migration. Given the role of chemokines in orchestrating immune cell trafficking, naturally arising anti-chemokine antibodies associated with favorable COVID-19 may be beneficial by modulating the inflammatory response and thus bear therapeutic potential. One-Sentence Summary: Naturally arising anti-chemokine antibodies associate with favorable COVID-19 and predict lack of long COVID.

Memory B cells (MBCs) generate rapid antibody responses upon secondary encounter with a pathogen. Here, we investigated the kinetics, avidity and cross-reactivity of serum antibodies and MBCs in 155 SARS-CoV-2 infected and vaccinated individuals over a 16-month timeframe. SARS-CoV-2-specific MBCs and serum antibodies reached steady-state titers with comparable kinetics in infected and vaccinated individuals. Whereas MBCs of infected individuals targeted both pre- and postfusion Spike (S), most vaccine-elicited MBCs were specific for prefusion S, consistent with the use of prefusion-stabilized S in mRNA vaccines. Furthermore, a large fraction of MBCs recognizing postfusion S cross-reacted with human betacoronaviruses. The avidity of MBC-derived and serum antibodies increased over time resulting in enhanced resilience to viral escape by SARS-CoV-2 variants, including Omicron BA.1 and BA.2 sub-lineages, albeit only partially for BA.4 and BA.5 sublineages. Overall, the maturation of high-affinity and broadly-reactive MBCs provides the basis for effective recall responses to future SARS-CoV-2 variants.

Abstract The identification of CD4 + T cell epitopes is essential for the design of effective vaccines capable of inducing neutralizing antibodies and long-term immunity. Here we demonstrate in COVID-19 patients a robust CD4 + T cell response to naturally processed SARS-CoV-2 Spike and Nucleoprotein, including effector, helper and memory T cells. By characterizing 2,943 Spike-reactive T cell clones, we found that 34% of the clones and 93% of the patients recognized a conserved immunodominant region encompassing residues S346-365 in the RBD and comprising three nested HLA-DR and HLA-DP restricted epitopes. By using pre- and post-COVID-19 samples and Spike proteins from alpha and beta coronaviruses, we provide in vivo evidence of cross-reactive T cell responses targeting multiple sites in the SARS-CoV-2 Spike protein. The possibility of leveraging immunodominant and cross-reactive T helper epitopes is instrumental for vaccination strategies that can be rapidly adapted to counteract emerging SARS-CoV-2 variants.

Emergence of SARS-CoV-2 variants diminishes the efficacy of vaccines and antiviral monoclonal antibodies. Continued development of immunotherapies and vaccine immunogens resilient to viral evolution is therefore necessary. Using coldspot-guided antibody discovery, a screening approach that focuses on portions of the virus spike that are both functionally relevant and averse to change, we identified human neutralizing antibodies to highly conserved viral epitopes. Antibody fp.006 binds the fusion peptide and cross-reacts against coronaviruses of the four genera , including the nine human coronaviruses, through recognition of a conserved motif that includes the S2’ site of proteolytic cleavage. Antibody hr2.016 targets the stem helix and neutralizes SARS-CoV-2 variants. Antibody sd1.040 binds to subdomain 1, synergizes with antibody rbd.042 for neutralization and, like fp.006 and hr2.016, protects mice when present as bispecific antibody. Thus, coldspot-guided antibody discovery reveals donor-derived neutralizing antibodies that are cross-reactive with Orthocoronavirinae , including SARS-CoV-2 variants. One sentence summary Broadly cross-reactive antibodies that protect from SARS-CoV-2 variants are revealed by virus coldspot-driven discovery.

Currently circulating SARS-CoV-2 variants acquired convergent mutations at receptor-binding domain (RBD) hot spots 1 . Their impact on viral infection, transmission, and efficacy of vaccines and therapeutics remains poorly understood. Here, we demonstrate that recently emerged BQ.1.1. and XBB.1 variants bind ACE2 with high affinity and promote membrane fusion more efficiently than earlier Omicron variants. Structures of the BQ.1.1 and XBB.1 RBDs bound to human ACE2 and S309 Fab (sotrovimab parent) explain the altered ACE2 recognition and preserved antibody binding through conformational selection. We show that sotrovimab binds avidly to all Omicron variants, promotes Fc-dependent effector functions and protects mice challenged with BQ.1.1, the variant displaying the greatest loss of neutralization. Moreover, in several donors vaccine-elicited plasma antibodies cross-react with and trigger effector functions against Omicron variants despite reduced neutralizing activity. Cross-reactive RBD-directed human memory B cells remained dominant even after two exposures to Omicron spikes, underscoring persistent immune imprinting. Our findings suggest that this previously overlooked class of cross-reactive antibodies, exemplified by S309, may contribute to protection against disease caused by emerging variants through elicitation of effector functions.