The Omicron variant of SARS-CoV-2 infected many vaccinated and convalescent individuals1-3. Despite the reduced protection from infection, individuals who received three doses of an mRNA vaccine were highly protected from more serious consequences of infection4. Here we examine the memory B cell repertoire in a longitudinal cohort of individuals receiving three mRNA vaccine doses5,6. We find that the third dose is accompanied by an increase in, and evolution of, receptor-binding domain (RBD)-specific memory B cells. The increase is due to expansion of memory B cell clones that were present after the second dose as well as the emergence of new clones. The antibodies encoded by these cells showed significantly increased potency and breadth when compared with antibodies obtained after the second dose. Notably, the increase in potency was especially evident among newly developing clones of memory cells, which differed from persisting clones in targeting more conserved regions of the RBD. Overall, more than 50% of the analysed neutralizing antibodies in the memory compartment after the third mRNA vaccine dose neutralized the Omicron variant. Thus, individuals receiving three doses of an mRNA vaccine have a diverse memory B cell repertoire that can respond rapidly and produce antibodies capable of clearing even diversified variants such as Omicron. These data help to explain why a third dose of a vaccine that was not specifically designed to protect against variants is effective against variant-induced serious disease.

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.

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.

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 omicron variant of SARS-CoV-2 infected very large numbers of SARS-CoV-2 vaccinated and convalescent individuals 1-3 . The penetrance of this variant in the antigen experienced human population can be explained in part by the relatively low levels of plasma neutralizing activity against Omicron in people who were infected or vaccinated with the original Wuhan-Hu-1 strain 4-7 . The 3 rd mRNA vaccine dose produces an initial increase in circulating anti-Omicron neutralizing antibodies, but titers remain 10-20-fold lower than against Wuhan-Hu-1 and are, in many cases, insufficient to prevent infection 7 . Despite the reduced protection from infection, individuals that received 3 doses of an mRNA vaccine were highly protected from the more serious consequences of infection 8 . Here we examine the memory B cell repertoire in a longitudinal cohort of individuals receiving 3 mRNA vaccine doses 9,10 . We find that the 3 rd dose is accompanied by an increase in, and evolution of, anti-receptor binding domain specific memory B cells. The increase is due to expansion of memory B cell clones that were present after the 2 nd vaccine dose as well as the emergence of new clones. The antibodies encoded by these cells showed significantly increased potency and breadth when compared to antibodies obtained after the 2 nd vaccine dose. Notably, the increase in potency was especially evident among newly developing clones of memory cells that differed from the persisting clones in targeting more conserved regions of the RBD. Overall, more than 50% of the analyzed neutralizing antibodies in the memory compartment obtained from individuals receiving a 3 rd mRNA vaccine dose neutralized Omicron. Thus, individuals receiving 3 doses of an mRNA vaccine encoding Wuhan-Hu-1, have a diverse memory B cell repertoire that can respond rapidly and produce antibodies capable of clearing even diversified variants such as Omicron. These data help explain why a 3 rd dose of an mRNA vaccine that was not specifically designed to protect against variants is effective against variant-induced serious disease.

Over one year after its inception, the coronavirus disease-2019 (COVID-19) pandemic caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus-2 (SARS-CoV-2) remains difficult to control despite the availability of several excellent vaccines. Progress in controlling the pandemic is slowed by the emergence of variants that appear to be more transmissible and more resistant to antibodies 1,2 . Here we report on a cohort of 63 COVID-19-convalescent individuals assessed at 1.3, 6.2 and 12 months after infection, 41% of whom also received mRNA vaccines 3,4 . In the absence of vaccination antibody reactivity to the receptor binding domain (RBD) of SARS-CoV-2, neutralizing activity and the number of RBD-specific memory B cells remain relatively stable from 6 to 12 months. Vaccination increases all components of the humoral response, and as expected, results in serum neutralizing activities against variants of concern that are comparable to or greater than neutralizing activity against the original Wuhan Hu-1 achieved by vaccination of naïve individuals 2,5-8 . The mechanism underlying these broad-based responses involves ongoing antibody somatic mutation, memory B cell clonal turnover, and development of monoclonal antibodies that are exceptionally resistant to SARS-CoV-2 RBD mutations, including those found in variants of concern 4,9 . In addition, B cell clones expressing broad and potent antibodies are selectively retained in the repertoire over time and expand dramatically after vaccination. The data suggest that immunity in convalescent individuals will be very long lasting and that convalescent individuals who receive available mRNA vaccines will produce antibodies and memory B cells that should be protective against circulating SARS-CoV-2 variants.

Many anti-SARS-CoV-2 neutralizing antibodies target the ACE2-binding site on viral spike receptor-binding domains (RBDs). The most potent antibodies recognize exposed variable epitopes, often rendering them ineffective against other sarbecoviruses and SARS-CoV-2 variants. Class 4 anti-RBD antibodies against a less-exposed, but more-conserved, cryptic epitope could recognize newly-emergent zoonotic sarbecoviruses and variants, but usually show only weak neutralization potencies. We characterized two class 4 anti-RBD antibodies derived from COVID-19 donors that exhibited broad recognition and potent neutralization of zoonotic coronavirus and SARS-CoV-2 variants. C118-RBD and C022-RBD structures revealed CDRH3 mainchain H-bond interactions that extended an RBD β-sheet, thus reducing sensitivity to RBD sidechain changes, and epitopes that extended from the cryptic epitope to occlude ACE2 binding. A C118-spike trimer structure revealed rotated RBDs to allow cryptic epitope access and the potential for intra-spike crosslinking to increase avidity. These studies facilitate vaccine design and illustrate potential advantages of class 4 RBD-binding antibody therapeutics.

Since the start of the coronavirus disease-2019 (COVID-19) pandemic, severe acute respiratory syndrome coronavirus-2 (SARS-CoV-2) has caused more than 2 million deaths worldwide. Multiple vaccines have been deployed to date, but the continual evolution of the viral receptor-binding domain (RBD) has recently challenged their efficacy. In particular, SARS-CoV-2 variants originating in the U.K. (B.1.1.7), South Africa (B.1.351) and New York (B.1.526) have reduced neutralization activity from convalescent sera and compromised the efficacy of antibody cocktails that received emergency use authorization. Whereas vaccines can be updated periodically to account for emerging variants, complementary strategies are urgently needed to avert viral escape. One potential alternative is the use of camelid VHHs (also known as nanobodies), which due to their small size can recognize protein crevices that are inaccessible to conventional antibodies. Here, we isolate anti-RBD nanobodies from llamas and “nanomice” we engineered to produce VHHs cloned from alpacas, dromedaries and camels. Through binding assays and cryo-electron microscopy, we identified two sets of highly neutralizing nanobodies. The first group expresses VHHs that circumvent RBD antigenic drift by recognizing a region outside the ACE2-binding site that is conserved in coronaviruses but is not typically targeted by monoclonal antibodies. The second group is almost exclusively focused to the RBD-ACE2 interface and fails to neutralize pseudoviruses carrying the E484K or N501Y substitutions. Notably however, they do neutralize the RBD variants when expressed as homotrimers, rivaling the most potent antibodies produced to date against SARS-CoV-2. These findings demonstrate that multivalent nanobodies overcome SARS-CoV-2 variant mutations through two separate mechanisms: enhanced avidity for the ACE2 binding domain, and recognition of conserved epitopes largely inaccessible to human antibodies. Therefore, while new SARS-CoV-2 mutants will continue to emerge, nanobodies represent promising tools to prevent COVID-19 mortality when vaccines are compromised.

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 Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infection produces B-cell responses that continue to evolve for at least one year. During that time, memory B cells express increasingly broad and potent antibodies that are resistant to mutations found in variants of concern 1 . As a result, vaccination of coronavirus disease 2019 (COVID-19) convalescent individuals with currently available mRNA vaccines produces high levels of plasma neutralizing activity against all variants tested 1, 2 . Here, we examine memory B cell evolution 5 months after vaccination with either Moderna (mRNA-1273) or Pfizer- BioNTech (BNT162b2) mRNA vaccines in a cohort of SARS-CoV-2 naïve individuals. Between prime and boost, memory B cells produce antibodies that evolve increased neutralizing activity, but there is no further increase in potency or breadth thereafter. Instead, memory B cells that emerge 5 months after vaccination of naïve individuals express antibodies that are similar to those that dominate the initial response. While individual memory antibodies selected over time by natural infection have greater potency and breadth than antibodies elicited by vaccination, the overall neutralizing potency of plasma is greater following vaccination. These results suggest that boosting vaccinated individuals with currently available mRNA vaccines will increase plasma neutralizing activity but may not produce antibodies with breadth equivalent to those obtained by vaccinating convalescent individuals.