Abstract During the SARS-CoV-2 pandemic, multiple variants escaping pre-existing immunity emerged, causing concerns about continued protection. Here, we use antigenic cartography to analyze patterns of cross-reactivity among a panel of 21 variants and 15 groups of human sera obtained following primary infection with 10 different variants or after mRNA-1273 or mRNA-1273.351 vaccination. We find antigenic differences among pre-Omicron variants caused by substitutions at spike protein positions 417, 452, 484, and 501. Quantifying changes in response breadth over time and with additional vaccine doses, our results show the largest increase between 4 weeks and >3 months post-2nd dose. We find changes in immunodominance of different spike regions depending on the variant an individual was first exposed to, with implications for variant risk assessment and vaccine strain selection. One sentence summary: Antigenic Cartography of SARS-CoV-2 variants reveals amino acid substitutions governing immune escape and immunodominance patterns.

Abstract The rapid spread of the Omicron BA.1 (B.1.1.529) SARS-CoV-2 (Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2) variant in 2021 resulted in international efforts to quickly assess its escape from immunity generated by vaccines and previous infections. Numerous laboratories published Omicron neutralization data as preprints and reports. Here, we use forest plots and antigenic cartography to analyze aggregated Omicron neutralization data from 49 reporting laboratories up to 2022-01-28. We found that, in twice vaccinated individuals, titer fold drop of Omicron relative to wild type is more than 17x, likely substantially higher given the number of measurements below the assay detection limit. Moreover, after a third dose with an mRNA vaccine, the titer fold drop to Omicron is considerably less at 7x, and triple vaccination reduces fold drops across SARS-CoV-2 variants. We demonstrate that it is possible to build reliable antigenic cartography maps from this collated data.

Abstract Antigenic characterization of newly emerging SARS-CoV-2 variants is important to assess their immune escape and judge the need for future vaccine updates. As exposure histories for human sera become more and more complex, animal sera may provide an alternative for antigenic characterization of new variants. To bridge data obtained from animal sera with human sera, we here analyzed neutralizing antibody titers in human and hamster first infection sera in a highly controlled setting using the same live-virus neutralization assay performed in one laboratory. Using a Bayesian framework, we found that titer fold changes in hamster sera corresponded well to human sera and that hamster sera generally exhibited higher reactivity. Our results indicate that sera from infected hamsters are a good surrogate for the antigenic characterization of new variants.

The antigenic evolution of SARS-CoV-2 requires ongoing monitoring to judge the immune escape of newly arising variants. A surveillance system necessitates an understanding of differences in neutralization titers measured in different assays and using human and animal sera. We compared 18 datasets generated using human, hamster, and mouse sera, and six different neutralization assays. Titer magnitude was lowest in human, intermediate in hamster, and highest in mouse sera. Fold change, immunodominance patterns and antigenic maps were similar among sera. Most assays yielded similar results, except for differences in fold change in cytopathic effect assays. Not enough data was available for conclusively judging mouse sera, but hamster sera were a consistent surrogate for human first-infection sera.

Allostery is an intrinsic dynamic phenomenon that underlies functional long-distance interactions in proteins, which we study here by stochastic calculus approach to elastic network models (ENMs). We show that once you drop the usually accepted high friction limit and include hydrodynamic interactions in ENMs, a simple measure that uses the pairwise difference in the time-delayed correlations of residue fluctuations provides insight about functional sites and their dynamical behaviour in allosteric communication. We present this with three exemplary cases Aspartate Carbamoyl transferase, Insulin Receptor and DNA-dependent Protein Kinase. We show that proteins possess characteristic pathways operating at different time-delay windows with slow to faster motions underlying the protein function. As these pathways help communication between key residues of functionality, they can also be used to identify their locations without any prior knowledge other than the protein crystal structure.