Abstract A serious public health crisis is currently unfolding due to the SARS-CoV-2 pandemic. SARS-CoV-2 viral entry depends on an interaction between the receptor binding domain of the trimeric viral Spike protein (Spike-RBD) and the dimeric human angiotensin converting enzyme 2 (ACE2) receptor. While it is clear that strategies to block the Spike/ACE2 interaction are promising as anti-SARS-CoV-2 therapeutics, our current understanding is insufficient for the rational design of maximally effective therapeutic molecules. Here, we investigated the mechanism of Spike/ACE2 interaction by characterizing the binding affinity and kinetics of different multimeric forms of recombinant ACE2 and Spike-RBD domain. We also engineered ACE2 into a split Nanoluciferase-based reporter system to probe the conformational landscape of Spike-RBDs in the context of the Spike trimer. Interestingly, a dimeric form of ACE2, but not monomeric ACE2, binds with high affinity to Spike and blocks viral entry in pseudotyped virus and live SARS-CoV-2 virus neutralization assays. We show that dimeric ACE2 interacts with an RBD on Spike with limited intra-Spike avidity, which nonetheless contributes to the affinity of this interaction. Additionally, we demonstrate that a proportion of Spike can simultaneously interact with multiple ACE2 dimers, indicating that more than one RBD domain in a Spike trimer can adopt an ACE2-accessible “up” conformation. Our findings have significant implications on the design strategies of therapeutic molecules that block the Spike/ACE2 interaction. The constructs we describe are freely available to the research community as molecular tools to further our understanding of SARS-CoV-2 biology.

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.

The emergence of SARS-CoV-2 and the ensuing explosive epidemic of COVID19 disease has generated a need for assays to rapidly and conveniently measure the antiviral activity of SARSCoV-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.

The number and variability of the neutralizing epitopes targeted by polyclonal antibodies in SARS-CoV-2 convalescent and vaccinated individuals are key determinants of neutralization breadth and, consequently, the genetic barrier to viral escape. Using chimeric viruses and antibody-selected viral mutants, we show that multiple neutralizing epitopes, within and outside the viral receptor binding domain (RBD), are variably targeted by polyclonal plasma antibodies and coincide with sequences that are enriched for diversity in natural SARS-CoV-2 populations. By combining plasma-selected spike substitutions, we generated synthetic ‘polymutant’ spike proteins that resisted polyclonal antibody neutralization to a similar degree as currently circulating variants of concern (VOC). Importantly, by aggregating VOC-associated and plasma-selected spike substitutions into a single polymutant spike protein, we show that 20 naturally occurring mutations in SARS-CoV-2 spike are sufficient to confer near-complete resistance to the polyclonal neutralizing antibodies generated by convalescents and mRNA vaccine recipients. Strikingly however, plasma from individuals who had been infected and subsequently received mRNA vaccination, neutralized this highly resistant SARS-CoV-2 polymutant, and also neutralized diverse sarbecoviruses. Thus, optimally elicited human polyclonal antibodies against SARS-CoV-2 should be resilient to substantial future SARS-CoV-2 variation and may confer protection against future sarbecovirus pandemics.

Coagulopathy is a significant aspect of morbidity in COVID-19 patients. The clotting cascade is propagated by a series of proteases, including factor Xa and thrombin. While certain host proteases, including TMPRSS2 and furin, are known to be important for cleavage activation of SARS-CoV-2 spike to promote viral entry in the respiratory tract, other proteases may also contribute. Using biochemical and cell-based assays, we demonstrate that factor Xa and thrombin can also directly cleave SARS-CoV-2 spike, enhancing viral entry. A drug-repurposing screen identified a subset of protease inhibitors that promiscuously inhibited spike cleavage by both transmembrane serine proteases as well as coagulation factors. The mechanism of the protease inhibitors nafamostat and camostat may extend beyond inhibition of TMPRSS2 to coagulation-induced spike cleavage. Anticoagulation is critical in the management of COVID-19, and early intervention could provide collateral benefit by suppressing SARS-CoV-2 viral entry. We propose a model of positive feedback whereby infection-induced hypercoagulation exacerbates SARS-CoV-2 infectivity.

SUMMARY Despite the great promise of vaccines, the COVID-19 pandemic is ongoing and future serious outbreaks are highly likely, so that multi-pronged containment strategies will be required for many years. Nanobodies are the smallest naturally occurring single domain antigen binding proteins identified to date, possessing numerous properties advantageous to their production and use. We present a large repertoire of high affinity nanobodies against SARS-CoV-2 Spike protein with excellent kinetic and viral neutralization properties, which can be strongly enhanced with oligomerization. This repertoire samples the epitope landscape of the Spike ectodomain inside and outside the receptor binding domain, recognizing a multitude of distinct epitopes and revealing multiple neutralization targets of pseudoviruses and authentic SARS-CoV-2, including in primary human airway epithelial cells. Combinatorial nanobody mixtures show highly synergistic activities, and are resistant to mutational escape and emerging viral variants of concern. These nanobodies establish an exceptional resource for superior COVID-19 prophylactics and therapeutics.

SUMMARY Emerging zoonotic viral pathogens threaten global health and there is an urgent need to discover host and viral determinants influencing infection. We performed a loss-of-function genome-wide CRISPR screen in a human lung cell line using HCoV-OC43, a human betacoronavirus. One candidate gene, VPS29, was required for infection by HCoV-OC43, SARS-CoV-2, other endemic and pandemic threat coronaviruses as well as ebolavirus. However, VPS29 deficiency had no effect on certain other viruses that enter cells via endosomes and had an opposing, enhancing effect on influenza A virus infection. VPS29 deficiency caused changes endosome morphology, and acidity and attenuated the activity of endosomal proteases. These changes in endosome properties caused incoming coronavirus, but not influenza virus particles, to become entrapped therein. Overall, these data show how host regulation of endosome characteristics can influence viral susceptibility and identify a host pathway that could serve as a pharmaceutical target for intervention in zoonotic viral diseases.

Summary Antibodies elicited in response to infection undergo somatic mutation in germinal centers that can result in higher affinity for the cognate antigen. To determine the effects of somatic mutation on the properties of SARS-CoV-2 spike receptor-binding domain (RBD)-specific antibodies, we analyzed six independent antibody lineages. As well as increased neutralization potency, antibody evolution changed pathways for acquisition of resistance and, in some cases, restricted the range of neutralization escape options. For some antibodies, maturation apparently imposed a requirement for multiple spike mutations to enable escape. For certain antibody lineages, maturation enabled 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.

During the COVID-19 pandemic, SARS-CoV-2 infected millions of people and claimed hundreds of thousands of lives. Virus entry into cells depends on the receptor binding domain (RBD) of the SARS-CoV-2 spike protein (S). Although there is no vaccine, it is likely that antibodies will be essential for protection. However, little is known about the human antibody response to SARS-CoV-2. Here we report on 68 COVID-19 convalescent individuals. Plasmas collected an average of 30 days after the onset of symptoms had variable half-maximal neutralizing titers ranging from undetectable in 18% to below 1:1000 in 78%, while only 3% showed titers >1:5000. Antibody cloning revealed expanded clones of RBD-specific memory B cells expressing closely related antibodies in different individuals. Despite low plasma titers, antibodies to distinct epitopes on RBD neutralized at half-maximal inhibitory concentrations (IC50s) as low as few ng/mL. Thus, most convalescent plasmas obtained from individuals who recover from COVID-19 without hospitalization 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.

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 development of variable levels of antibodies with neutralizing activity that can protect against infection in animal models. Antibody levels decrease with time, but the nature and quality of the memory B cells that would be called upon to produce antibodies upon re-infection 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. We find that IgM, and IgG anti-SARS-CoV-2 spike protein receptor binding domain (RBD) antibody titers decrease significantly with IgA being less affected. Concurrently, neutralizing activity in plasma decreases by five-fold in pseudotype virus assays. In contrast, the number of RBD-specific memory B cells is unchanged. Memory B cells display clonal turnover after 6.2 months, and the antibodies they express have greater somatic hypermutation, increased potency and resistance to RBD mutations, indicative of continued evolution of the humoral response. Analysis of intestinal biopsies obtained from asymptomatic individuals 4 months after coronavirus disease-2019 (COVID-19) onset, using immunofluorescence, or polymerase chain reaction, revealed persistence of SARS-CoV-2 nucleic acids and immunoreactivity in the small bowel of 7 out of 14 volunteers. 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.