Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is a highly transmissible coronavirus responsible for the global COVID-19 pandemic. Herein we provide evidence that SARS-CoV-2 spreads through cell-cell contact in cultures, mediated by the spike glycoprotein. SARS-CoV-2 spike is more efficient in facilitating cell-to-cell transmission than SARS-CoV spike, which reflects, in part, their differential cell-cell fusion activity. Interestingly, treatment of cocultured cells with endosomal entry inhibitors impairs cell-to-cell transmission, implicating endosomal membrane fusion as an underlying mechanism. Compared with cell-free infection, cell-to-cell transmission of SARS-CoV-2 is refractory to inhibition by neutralizing antibody or convalescent sera of COVID-19 patients. While ACE2 enhances cell-to-cell transmission, we find that it is not absolutely required. Notably, despite differences in cell-free infectivity, the variants of concern (VOC) B.1.1.7 and B.1.351 have similar cell-to-cell transmission capability. Moreover, B.1.351 is more resistant to neutralization by vaccinee sera in cell-free infection, whereas B.1.1.7 is more resistant to inhibition by vaccine sera in cell-to-cell transmission. Overall, our study reveals critical features of SARS-CoV-2 spike-mediated cell-to-cell transmission, with important implications for a better understanding of SARS-CoV-2 spread and pathogenesis.

The rapid spread and strong immune evasion of the SARS-CoV-2 Omicron subvariants has raised serious concerns for the global COVID-19 pandemic. These new variants exhibit reduced fusogenicity and increased endosomal entry pathway utilization compared to the ancestral D614G variant, the underlying mechanisms of which remain elusive. Here we show that the C-terminal S1 mutations of the BA.1.1 subvariant, H655Y and T547K, critically govern the low fusogenicity of Omicron. Notably, H655Y also dictates the enhanced endosome entry pathway utilization. Mechanistically, T547K and H655Y likely stabilize the spike trimer conformation, as shown by increased molecular interactions in structural modeling as well as reduced S1 shedding. Importantly, the H655Y mutation also determines the low fusogenicity and high dependence on the endosomal entry pathway of other Omicron subvariants, including BA.2, BA.2.12.1, BA.4/5 and BA.2.75. These results uncover mechanisms governing Omicron subvariant entry and provide insights into altered Omicron tissue tropism and pathogenesis.

Abstract The newly emerged BA.2.75 SARS-CoV-2 variant exhibits an alarming 9 additional mutations in its spike (S) protein compared to the ancestral BA.2 variant. Here we examine the neutralizing antibody escape of BA.2.75 in mRNA-vaccinated and BA.1-infected individuals, as well as the molecular basis underlying functional changes in the S protein. Notably, BA.2.75 exhibits enhanced neutralization resistance over BA.2, but less than the BA.4/5 variant. The G446S and N460K mutations of BA.2.75 are primarily responsible for its enhanced resistance to neutralizing antibodies. The R493Q mutation, a reversion to the prototype sequence, reduces BA.2.75 neutralization resistance. The mutational impact is consistent with their locations in common neutralizing antibody epitopes. Further, the BA.2.75 variant shows enhanced cell-cell fusion over BA.2, driven largely by the N460K mutation, which enhances S processing. Structural modeling revealed a new receptor contact introduced by N460K, supporting a mechanism of potentiated receptor utilization and syncytia formation.

ABSTRACT The rapid evolution of SARS-CoV-2 variants presents a constant challenge to the global vaccination effort. In this study, we conducted a comprehensive investigation into two newly emerged variants, BA.2.87.1 and JN.1, focusing on their neutralization resistance, infectivity, antigenicity, cell-cell fusion, and spike processing. Neutralizing antibody (nAb) titers were assessed in diverse cohorts, including individuals who received a bivalent mRNA vaccine booster, patients infected during the BA.2.86/JN.1-wave, and hamsters vaccinated with XBB.1.5-monovalent vaccine. We found that BA.2.87.1 shows much less nAb escape from WT-BA.4/5 bivalent mRNA vaccination and JN.1-wave breakthrough infection sera compared to JN.1 and XBB.1.5. Interestingly. BA.2.87.1 is more resistant to neutralization by XBB.15-monovalent-vaccinated hamster sera than BA.2.86/JN.1 and XBB.1.5, but efficiently neutralized by a class III monoclonal antibody S309, which largely fails to neutralize BA.2.86/JN.1. Importantly, BA.2.87.1 exhibits higher levels of infectivity, cell-cell fusion activity, and furin cleavage efficiency than BA.2.86/JN.1. Antigenically, we found that BA.2.87.1 is closer to the ancestral BA.2 compared to other recently emerged Omicron subvariants including BA.2.86/JN.1 and XBB.1.5. Altogether, these results highlight immune escape properties as well as biology of new variants and underscore the importance of continuous surveillance and informed decision-making in the development of effective vaccines.

Immune evasion by SARS-CoV-2 paired with immune imprinting from monovalent mRNA vaccines has resulted in attenuated neutralizing antibody responses against Omicron subvariants. In this study, we characterized two new XBB variants rising in circulation: EG.5.1 and XBB.2.3, for their ability of neutralization and syncytia formation. We determined the neutralizing antibody in sera of individuals that received a bivalent mRNA vaccine booster, BA.4/5 wave infection, or XBB.1.5 wave infection. Bivalent vaccination-induced antibodies neutralized efficiently ancestral D614G, but to a much less extent, two new EG.5.1 and XBB.2.3 variants. In fact, the enhanced neutralization escape of EG.5.1 appeared to be driven by its key defining mutation XBB.1.5-F456L. Notably, infection by BA.4/5 or XBB.1.5 afforded little, if any, neutralization against EG.5.1, XBB.2.3 and previous XBB variants, especially in unvaccinated individuals, with average neutralizing antibody titers near the limit of detection. Additionally, we investigated the infectivity, fusion activity, and processing of variant spikes for EG.5.1 and XBB.2.3 in HEK293T-ACE2 and CaLu-3 cells, but found no significant differences compared to earlier XBB variants. Overall, our findings highlight the continued immune evasion of new Omicron subvariants and, more importantly, the need to reformulate mRNA vaccines to include XBB spikes for better protection.

SARS-CoV-2 variants derived from the immune evasive JN.1 are on the rise worldwide. Here, we investigated JN.1-derived subvariants SLip, FLiRT, and KP.2 for their ability to be neutralized by antibodies in bivalent-vaccinated human sera, XBB.1.5 monovalent-vaccinated hamster sera, sera from people infected during the BA.2.86/JN.1 wave, and class III monoclonal antibody (Mab) S309. We found that compared to parental JN.1, SLip and KP.2, and especially FLiRT, exhibit increased resistance to COVID-19 bivalent-vaccinated human sera and BA.2.86/JN.1-wave convalescent sera. Interestingly, antibodies in XBB.1.5 monovalent vaccinated hamster sera robustly neutralized FLiRT and KP.2 but had reduced efficiency for SLip. These JN.1 subvariants were resistant to neutralization by Mab S309. In addition, we investigated aspects of spike protein biology including infectivity, cell-cell fusion and processing, and found that these subvariants, especially SLip, had a decreased infectivity and membrane fusion relative to JN.1, correlating with decreased spike processing. Homology modeling revealed that L455S and F456L mutations in SLip reduced local hydrophobicity in the spike and hence its binding to ACE2. In contrast, the additional R346T mutation in FLiRT and KP.2 strengthened conformational support of the receptor-binding motif, thus counteracting the effects of L455S and F456L. These three mutations, alongside D339H, which is present in all JN.1 sublineages, alter the epitopes targeted by therapeutic Mabs, including class I and class III S309, explaining their reduced sensitivity to neutralization by sera and S309. Together, our findings provide insight into neutralization resistance of newly emerged JN.1 subvariants and suggest that future vaccine formulations should consider JN.1 spike as immunogen, although the current XBB.1.5 monovalent vaccine could still offer adequate protection.

The SARS-CoV-2 B.1.1.529/Omicron variant was first characterized in South Africa and was swiftly designated a variant of concern 1 . Of great concern is its high number of mutations, including 30-40 mutations in the virus spike (S) protein compared to 7-10 for other variants. Some of these mutations have been shown to enhance escape from vaccine-induced immunity, while others remain uncharacterized. Additionally, reports of increasing frequencies of the Omicron variant may indicate a higher rate of transmission compared to other variants. However, the transmissibility of Omicron and its degree of resistance to vaccine-induced immunity remain unclear. Here we show that Omicron exhibits significant immune evasion compared to other variants, but antibody neutralization is largely restored by mRNA vaccine booster doses. Additionally, the Omicron spike exhibits reduced receptor binding, cell-cell fusion, S1 subunit shedding, but increased cell-to-cell transmission, and homology modeling indicates a more stable closed S structure. These findings suggest dual immune evasion strategies for Omicron, due to altered epitopes and reduced exposure of the S receptor binding domain, coupled with enhanced transmissibility due to enhanced S protein stability. These results highlight the importance of booster vaccine doses for maintaining protection against the Omicron variant, and provide mechanistic insight into the altered functionality of the Omicron spike protein.

The recent emergence of the SARS-CoV-2 BA.4/5 and BA.2.12.1 variants has led to rising COVID-19 case numbers and concerns over the continued efficacy of mRNA booster vaccination. Here we examine the durability of neutralizing antibody (nAb) responses against these SARS-CoV-2 Omicron subvariants in a cohort of health care workers 1-40 weeks after mRNA booster dose administration. Neutralizing antibody titers fell by ~1.5-fold 4-6 months and by ~2.5-fold 7-9 months after booster dose, with average nAb titers falling by 11-15% every 30 days, far more stable than two dose induced immunity. Notably, nAb titers from booster recipients against SARS-CoV-2 BA.1, BA.2.12.1, and BA.4/5 variants were ~4.7-, 7.6-, and 13.4-fold lower than against the ancestral D614G spike. However, the rate of waning of booster dose immunity was comparable across variants. Importantly, individuals reporting prior infection with SARS-CoV-2 exhibited significantly higher nAb titers compared to those without breakthrough infection. Collectively, these results highlight the broad and stable neutralizing antibody response induced by mRNA booster dose administration, implicating a significant role of virus evolution to evade nAb specificity, versus waning humoral immunity, in increasing rates of breakthrough infection.

Abstract Continued evolution of SARS-CoV-2 has led to the emergence of several new Omicron subvariants, including BQ.1, BQ. 1.1, BA.4.6, BF.7 and BA.2.75.2. Here we examine the neutralization resistance of these subvariants, as well as their ancestral BA.4/5, BA.2.75 and D614G variants, against sera from 3-dose vaccinated health care workers, hospitalized BA.1-wave patients, and BA.5-wave patients. We found enhanced neutralization resistance in all new subvariants, especially the BQ.1 and BQ.1.1 subvariants driven by a key N460K mutation, and to a lesser extent, R346T and K444T mutations, as well as the BA.2.75.2 subvariant driven largely by its F486S mutation. The BQ.1 and BQ.1.1 subvariants also exhibited enhanced fusogenicity and S processing dictated by the N460K mutation. Interestingly, the BA.2.75.2 subvariant saw an enhancement by the F486S mutation and a reduction by the D1199N mutation to its fusogenicity and S processing, resulting in minimal overall change. Molecular modelling revealed the mechanisms of receptor-binding and non-receptor binding monoclonal antibody-mediated immune evasion by R346T, K444T, F486S and D1199N mutations. Altogether, these findings shed light on the concerning evolution of newly emerging SARS-CoV-2 Omicron subvariants.

Abstract Newly emerging Omicron subvariants continue to emerge around the world, presenting potential challenges to current vaccination strategies. This study investigates the extent of neutralizing antibody escape by new subvariants XBB.1.5, CH.1.1, and CA.3.1, as well as their impacts on spike protein biology. Our results demonstrated a nearly complete escape of these variants from neutralizing antibodies stimulated by three doses of mRNA vaccine, but neutralization was rescued by a bivalent booster. However, CH.1.1 and CA.3.1 variants were highly resistant to both monovalent and bivalent mRNA vaccinations. We also assessed neutralization by sera from individuals infected during the BA.4/5 wave of infection and observed similar trends of immune escape. In these cohorts, XBB.1.5 did not exhibit enhanced neutralization resistance over the recently dominant BQ.1.1 variant. Notably, the spike proteins of XBB.1.5, CH.1.1, and CA.3.1 all exhibited increased fusogenicity compared to BA.2, correlating with enhanced S processing. Overall, our results support the administration of new bivalent mRNA vaccines, especially in fighting against newly emerged Omicron subvariants, as well as the need for continued surveillance of Omicron subvariants.