During the coronavirus disease-2019 (COVID-19) pandemic, severe acute respiratory syndrome-related coronavirus-2 (SARS-CoV-2) has led to the infection of millions of people and has claimed hundreds of thousands of lives. The entry of the virus into cells depends on the receptor-binding domain (RBD) of the spike (S) protein of SARS-CoV-2. Although there is currently no vaccine, it is likely that antibodies will be essential for protection. However, little is known about the human antibody response to SARS-CoV-21–5. Here we report on 149 COVID-19-convalescent individuals. Plasma samples collected an average of 39 days after the onset of symptoms had variable half-maximal pseudovirus neutralizing titres; titres were less than 50 in 33% of samples, below 1,000 in 79% of samples and only 1% of samples had titres above 5,000. Antibody sequencing revealed the expansion of clones of RBD-specific memory B cells that expressed closely related antibodies in different individuals. Despite low plasma titres, antibodies to three distinct epitopes on the RBD neutralized the virus with half-maximal inhibitory concentrations (IC50 values) as low as 2 ng ml−1. In conclusion, most convalescent plasma samples obtained from individuals who recover from COVID-19 do not contain high levels of neutralizing activity. Nevertheless, rare but recurring RBD-specific antibodies with potent antiviral activity were found in all individuals tested, suggesting that a vaccine designed to elicit such antibodies could be broadly effective. Although rare, antibodies against the receptor-binding domain of SARS-CoV-2 that showed potent antiviral activity were obtained from all tested convalescent individuals, suggesting that a vaccine designed to elicit such antibodies could be broadly effective.

Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) has infected 78 million individuals and is responsible for over 1.7 million deaths to date. Infection is associated with the development of variable levels of antibodies with neutralizing activity, which can protect against infection in animal models1,2. Antibody levels decrease with time, but, to our knowledge, the nature and quality of the memory B cells that would be required to produce antibodies upon reinfection has not been examined. Here we report on the humoral memory response in a cohort of 87 individuals assessed at 1.3 and 6.2 months after infection with SARS-CoV-2. We find that titres of IgM and IgG antibodies against the receptor-binding domain (RBD) of the spike protein of SARS-CoV-2 decrease significantly over this time period, with IgA being less affected. Concurrently, neutralizing activity in plasma decreases by fivefold in pseudotype virus assays. By contrast, the number of RBD-specific memory B cells remains unchanged at 6.2 months after infection. Memory B cells display clonal turnover after 6.2 months, and the antibodies that they express have greater somatic hypermutation, resistance to RBD mutations and increased potency, indicative of continued evolution of the humoral response. Immunofluorescence and PCR analyses of intestinal biopsies obtained from asymptomatic individuals at 4 months after the onset of coronavirus disease 2019 (COVID-19) revealed the persistence of SARS-CoV-2 nucleic acids and immunoreactivity in the small bowel of 7 out of 14 individuals. We conclude that the memory B cell response to SARS-CoV-2 evolves between 1.3 and 6.2 months after infection in a manner that is consistent with antigen persistence.

Here we report on the antibody and memory B cell responses of a cohort of 20 volunteers who received the Moderna (mRNA-1273) or Pfizer-BioNTech (BNT162b2) vaccine against SARS-CoV-21-4. Eight weeks after the second injection of vaccine, volunteers showed high levels of IgM and IgG anti-SARS-CoV-2 spike protein (S) and receptor-binding-domain (RBD) binding titre. Moreover, the plasma neutralizing activity and relative numbers of RBD-specific memory B cells of vaccinated volunteers were equivalent to those of individuals who had recovered from natural infection5,6. However, activity against SARS-CoV-2 variants that encode E484K-, N501Y- or K417N/E484K/N501-mutant S was reduced by a small-but significant-margin. The monoclonal antibodies elicited by the vaccines potently neutralize SARS-CoV-2, and target a number of different RBD epitopes in common with monoclonal antibodies isolated from infected donors5-8. However, neutralization by 14 of the 17 most-potent monoclonal antibodies that we tested was reduced or abolished by the K417N, E484K or N501Y mutation. Notably, these mutations were selected when we cultured recombinant vesicular stomatitis virus expressing SARS-CoV-2 S in the presence of the monoclonal antibodies elicited by the vaccines. Together, these results suggest that the monoclonal antibodies in clinical use should be tested against newly arising variants, and that mRNA vaccines may need to be updated periodically to avoid a potential loss of clinical efficacy.

Neutralizing antibodies elicited by prior infection or vaccination are likely to be key for future protection of individuals and populations against SARS-CoV-2. Moreover, passively administered antibodies are among the most promising therapeutic and prophylactic anti-SARS-CoV-2 agents. However, the degree to which SARS-CoV-2 will adapt to evade neutralizing antibodies is unclear. Using a recombinant chimeric VSV/SARS-CoV-2 reporter virus, we show that functional SARS-CoV-2 S protein variants with mutations in the receptor-binding domain (RBD) and N-terminal domain that confer resistance to monoclonal antibodies or convalescent plasma can be readily selected. Notably, SARS-CoV-2 S variants that resist commonly elicited neutralizing antibodies are now present at low frequencies in circulating SARS-CoV-2 populations. Finally, the emergence of antibody-resistant SARS-CoV-2 variants that might limit the therapeutic usefulness of monoclonal antibodies can be mitigated by the use of antibody combinations that target distinct neutralizing epitopes.

Neutralizing antibody responses to coronaviruses mainly target the receptor-binding domain (RBD) of the trimeric spike. Here, we characterized polyclonal immunoglobulin Gs (IgGs) and Fabs from COVID-19 convalescent individuals for recognition of coronavirus spikes. Plasma IgGs differed in their focus on RBD epitopes, recognition of alpha- and beta-coronaviruses, and contributions of avidity to increased binding/neutralization of IgGs over Fabs. Using electron microscopy, we examined specificities of polyclonal plasma Fabs, revealing recognition of both S1A and RBD epitopes on SARS-CoV-2 spike. Moreover, a 3.4 Å cryo-electron microscopy (cryo-EM) structure of a neutralizing monoclonal Fab-spike complex revealed an epitope that blocks ACE2 receptor binding. Modeling based on these structures suggested different potentials for inter-spike crosslinking by IgGs on viruses, and characterized IgGs would not be affected by identified SARS-CoV-2 spike mutations. Overall, our studies structurally define a recurrent anti-SARS-CoV-2 antibody class derived from VH3-53/VH3-66 and similarity to a SARS-CoV VH3-30 antibody, providing criteria for evaluating vaccine-elicited antibodies.

The emergence of SARS-CoV-2 and the ensuing explosive epidemic of COVID-19 disease has generated a need for assays to rapidly and conveniently measure the antiviral activity of SARS-CoV-2–specific antibodies. Here, we describe a collection of approaches based on SARS-CoV-2 spike-pseudotyped, single-cycle, replication-defective human immunodeficiency virus type-1 (HIV-1), and vesicular stomatitis virus (VSV), as well as a replication-competent VSV/SARS-CoV-2 chimeric virus. While each surrogate virus exhibited subtle differences in the sensitivity with which neutralizing activity was detected, the neutralizing activity of both convalescent plasma and human monoclonal antibodies measured using each virus correlated quantitatively with neutralizing activity measured using an authentic SARS-CoV-2 neutralization assay. The assays described herein are adaptable to high throughput and are useful tools in the evaluation of serologic immunity conferred by vaccination or prior SARS-CoV-2 infection, as well as the potency of convalescent plasma or human monoclonal antibodies.

Monoclonal antibodies targeting a variety of epitopes have been isolated from individuals previously infected with SARS-CoV-2, but the relative contributions of these different antibody classes to the polyclonal response remains unclear. Here we use a yeast-display system to map all mutations to the viral spike receptor-binding domain (RBD) that escape binding by representatives of three potently neutralizing classes of anti-RBD antibodies with high-resolution structures. We compare the antibody-escape maps to similar maps for convalescent polyclonal plasmas, including plasmas from individuals from whom some of the antibodies were isolated. While the binding of polyclonal plasma antibodies are affected by mutations across multiple RBD epitopes, the plasma-escape maps most resemble those of a single class of antibodies that target an epitope on the RBD that includes site E484. Therefore, although the human immune system can produce antibodies that target diverse RBD epitopes, in practice the polyclonal response to infection is skewed towards a single class of antibodies targeting an epitope that is already undergoing rapid evolution.

Antibodies elicited by infection accumulate somatic mutations in germinal centers that can increase affinity for cognate antigens. We analyzed 6 independent groups of clonally related severe acute respiratory syndrome-coronavirus-2 (SARS-CoV-2) Spike receptor-binding domain (RBD)-specific antibodies from 5 individuals shortly after infection and later in convalescence to determine the impact of maturation over months. In addition to increased affinity and neutralization potency, antibody evolution changed the mutational pathways for the acquisition of viral resistance and restricted neutralization escape options. For some antibodies, maturation imposed a requirement for multiple substitutions to enable escape. For certain antibodies, affinity maturation enabled the neutralization of circulating SARS-CoV-2 variants of concern and heterologous sarbecoviruses. Antibody-antigen structures revealed that these properties resulted from substitutions that allowed additional variability at the interface with the RBD. These findings suggest that increasing antibody diversity through prolonged or repeated antigen exposure may improve protection against diversifying SARS-CoV-2 populations, and perhaps against other pandemic threat coronaviruses.

Neutralizing antibody responses to coronaviruses focus on the trimeric spike, with most against the receptor-binding domain (RBD). Here we characterized polyclonal IgGs and Fabs from COVID-19 convalescent individuals for recognition of coronavirus spikes. Plasma IgGs differed in their degree of focus on RBD epitopes, recognition of SARS-CoV, MERS-CoV, and mild coronaviruses, and how avidity effects contributed to increased binding/neutralization of IgGs over Fabs. Electron microscopy reconstructions of polyclonal plasma Fab-spike complexes showed recognition of both S1

Monoclonal antibodies targeting a variety of epitopes have been isolated from individuals previously infected with SARS-CoV-2, but the relative contributions of these different antibody classes to the polyclonal response remains unclear. Here we use a yeast-display system to map all mutations to the viral spike receptor-binding domain (RBD) that escape binding by representatives of three potently neutralizing classes of anti-RBD antibodies with high-resolution structures. We compare the antibody-escape maps to similar maps for convalescent polyclonal plasma, including plasma from individuals from whom some of the antibodies were isolated. The plasma-escape maps most closely resemble those of a single class of antibodies that target an epitope on the RBD that includes site E484. Therefore, although the human immune system can produce antibodies that target diverse RBD epitopes, in practice the polyclonal response to infection is dominated by a single class of antibodies targeting an epitope that is already undergoing rapid evolution.