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.

Emerging variants of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) are of clinical concern. In a cohort of 417 persons who had received the second dose of BNT162b2 (Pfizer-BioNTech) or mRNA-1273 (Moderna) vaccine at least 2 weeks previously, we identified 2 women with vaccine breakthrough infection. Despite evidence of vaccine efficacy in both women, symptoms of coronavirus disease 2019 developed, and they tested positive for SARS-CoV-2 by polymerase-chain-reaction testing. Viral sequencing revealed variants of likely clinical importance, including E484K in 1 woman and three mutations (T95I, del142-144, and D614G) in both. These observations indicate a potential risk of illness after successful vaccination and subsequent infection with variant virus, and they provide support for continued efforts to prevent and diagnose infection and to characterize variants in vaccinated persons. (Funded by the National Institutes of Health and others.).

Abstract More than 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 working 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 individuals who have recovered from COVID-19 assessed at 1.3, 6.2 and 12 months after SARS-CoV-2 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 between 6 and 12 months after infection. Vaccination increases all components of the humoral response and, as expected, results in serum neutralizing activities against variants of concern similar to or greater than the neutralizing activity against the original Wuhan Hu-1 strain achieved by vaccination of naive 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 the 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 markedly 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.

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.

Broadly neutralizing antibodies (bNAbs) to HIV-1 can prevent infection and are therefore of great importance for HIV-1 vaccine design. Notably, bNAbs are highly somatically mutated and generated by a fraction of HIV-1-infected individuals several years after infection. Antibodies typically accumulate mutations in the complementarity determining region (CDR) loops, which usually contact the antigen. The CDR loops are scaffolded by canonical framework regions (FWRs) that are both resistant to and less tolerant of mutations. Here, we report that in contrast to most antibodies, including those with limited HIV-1 neutralizing activity, most bNAbs require somatic mutations in their FWRs. Structural and functional analyses reveal that somatic mutations in FWR residues enhance breadth and potency by providing increased flexibility and/or direct antigen contact. Thus, in bNAbs, FWRs play an essential role beyond scaffolding the CDR loops and their unusual contribution to potency and breadth should be considered in HIV-1 vaccine design.

Passive immunotherapy with a combination of neutralizing monoclonal antibodies is shown to be effective in suppressing HIV replication in a humanized mouse model. Broadly neutralizing antibodies to human immunodeficiency virus-1 (HIV-1) are slow to develop and are found in only a fraction of patients, but they can prevent infection and so are of great importance for HIV therapy design. Previous work has shown that the virus can quickly evolve resistance against these antibodies; however, more potent antibodies are now available. Michel Nussenzweig and colleagues therefore re-examined the potential of antibody therapy in 'humanized' mice. They demonstrate that passive immunotherapy with combinations of broadly neutralizing antibodies effectively controls HIV-1 infection. The authors suggest that it is time to re-examine monoclonal antibodies as therapeutics in HIV-1-infected individuals. Human antibodies to human immunodeficiency virus-1 (HIV-1) can neutralize a broad range of viral isolates in vitro and protect non-human primates against infection1,2. Previous work showed that antibodies exert selective pressure on the virus but escape variants emerge within a short period of time3,4. However, these experiments were performed before the recent discovery of more potent anti-HIV-1 antibodies and their improvement by structure-based design5,6,7,8,9. Here we re-examine passive antibody transfer as a therapeutic modality in HIV-1-infected humanized mice. Although HIV-1 can escape from antibody monotherapy, combinations of broadly neutralizing antibodies can effectively control HIV-1 infection and suppress viral load to levels below detection. Moreover, in contrast to antiretroviral therapy10,11,12, the longer half-life of antibodies led to control of viraemia for an average of 60 days after cessation of therapy. Thus, combinations of potent monoclonal antibodies can effectively control HIV-1 replication in humanized mice, and should be re-examined as a therapeutic modality in HIV-1-infected individuals.