Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is a newly emerged coronavirus that is responsible for the current pandemic of coronavirus disease 2019 (COVID-19), which has resulted in more than 3.7 million infections and 260,000 deaths as of 6 May 20201,2. Vaccine and therapeutic discovery efforts are paramount to curb the pandemic spread of this zoonotic virus. The SARS-CoV-2 spike (S) glycoprotein promotes entry into host cells and is the main target of neutralizing antibodies. Here we describe several monoclonal antibodies that target the S glycoprotein of SARS-CoV-2, which we identified from memory B cells of an individual who was infected with severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV) in 2003. One antibody (named S309) potently neutralizes SARS-CoV-2 and SARS-CoV pseudoviruses as well as authentic SARS-CoV-2, by engaging the receptor-binding domain of the S glycoprotein. Using cryo-electron microscopy and binding assays, we show that S309 recognizes an epitope containing a glycan that is conserved within the Sarbecovirus subgenus, without competing with receptor attachment. Antibody cocktails that include S309 in combination with other antibodies that we identified further enhanced SARS-CoV-2 neutralization, and may limit the emergence of neutralization-escape mutants. These results pave the way for using S309 and antibody cocktails containing S309 for prophylaxis in individuals at a high risk of exposure or as a post-exposure therapy to limit or treat severe disease. The monoclonal antibody S309, identified from memory B cells of an individual infected with SARS-CoV in 2003, or antibody cocktails that contain this antibody potently neutralize SARS-CoV-2.

Broad-spectrum antiviral GS-5734 inhibits both epidemic and zoonotic coronaviruses in vitro and in vivo.

ABSTRACT Emerging coronaviruses (CoVs) cause severe disease in humans, but no approved therapeutics are available. The CoV nsp14 exoribonuclease (ExoN) has complicated development of antiviral nucleosides due to its proofreading activity. We recently reported that the nucleoside analogue GS-5734 (remdesivir) potently inhibits human and zoonotic CoVs in vitro and in a severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV) mouse model. However, studies with GS-5734 have not reported resistance associated with GS-5734, nor do we understand the action of GS-5734 in wild-type (WT) proofreading CoVs. Here, we show that GS-5734 inhibits murine hepatitis virus (MHV) with similar 50% effective concentration values (EC 50 ) as SARS-CoV and Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV). Passage of WT MHV in the presence of the GS-5734 parent nucleoside selected two mutations in the nsp12 polymerase at residues conserved across all CoVs that conferred up to 5.6-fold resistance to GS-5734, as determined by EC 50 . The resistant viruses were unable to compete with WT in direct coinfection passage in the absence of GS-5734. Introduction of the MHV resistance mutations into SARS-CoV resulted in the same in vitro resistance phenotype and attenuated SARS-CoV pathogenesis in a mouse model. Finally, we demonstrate that an MHV mutant lacking ExoN proofreading was significantly more sensitive to GS-5734. Combined, the results indicate that GS-5734 interferes with the nsp12 polymerase even in the setting of intact ExoN proofreading activity and that resistance can be overcome with increased, nontoxic concentrations of GS-5734, further supporting the development of GS-5734 as a broad-spectrum therapeutic to protect against contemporary and emerging CoVs. IMPORTANCE Coronaviruses (CoVs) cause severe human infections, but there are no approved antivirals to treat these infections. Development of nucleoside-based therapeutics for CoV infections has been hampered by the presence of a proofreading exoribonuclease. Here, we expand the known efficacy of the nucleotide prodrug remdesivir (GS-5734) to include a group β-2a CoV. Further, GS-5734 potently inhibits CoVs with intact proofreading. Following selection with the GS-5734 parent nucleoside, 2 amino acid substitutions in the nsp12 polymerase at residues that are identical across CoVs provide low-level resistance to GS-5734. The resistance mutations decrease viral fitness of MHV in vitro and attenuate pathogenesis in a SARS-CoV animal model of infection. Together, these studies define the target of GS-5734 activity and demonstrate that resistance is difficult to select, only partial, and impairs fitness and virulence of MHV and SARS-CoV, supporting further development of GS-5734 as a potential effective pan-CoV antiviral.

The ongoing pandemic of coronavirus disease 2019 (COVID-19), which is caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), is a major threat to global health1 and the medical countermeasures available so far are limited2,3. Moreover, we currently lack a thorough understanding of the mechanisms of humoral immunity to SARS-CoV-24. Here we analyse a large panel of human monoclonal antibodies that target the spike (S) glycoprotein5, and identify several that exhibit potent neutralizing activity and fully block the receptor-binding domain of the S protein (SRBD) from interacting with human angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2). Using competition-binding, structural and functional studies, we show that the monoclonal antibodies can be clustered into classes that recognize distinct epitopes on the SRBD, as well as distinct conformational states of the S trimer. Two potently neutralizing monoclonal antibodies, COV2-2196 and COV2-2130, which recognize non-overlapping sites, bound simultaneously to the S protein and neutralized wild-type SARS-CoV-2 virus in a synergistic manner. In two mouse models of SARS-CoV-2 infection, passive transfer of COV2-2196, COV2-2130 or a combination of both of these antibodies protected mice from weight loss and reduced the viral burden and levels of inflammation in the lungs. In addition, passive transfer of either of two of the most potent ACE2-blocking monoclonal antibodies (COV2-2196 or COV2-2381) as monotherapy protected rhesus macaques from SARS-CoV-2 infection. These results identify protective epitopes on the SRBD and provide a structure-based framework for rational vaccine design and the selection of robust immunotherapeutic agents. An analysis identifies human monoclonal antibodies that potently neutralize wild-type SARS-CoV-2 and protect animals from disease, including two that synergize in a cocktail, suggesting that these could be candidates for use as therapeutic agents for the treatment of COVID-19 in humans.

Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) has caused the global COVID-19 pandemic. Rapidly spreading SARS-CoV-2 variants may jeopardize newly introduced antibody and vaccine countermeasures. Here, using monoclonal antibodies (mAbs), animal immune sera, human convalescent sera and human sera from recipients of the BNT162b2 mRNA vaccine, we report the impact on antibody neutralization of a panel of authentic SARS-CoV-2 variants including a B.1.1.7 isolate, chimeric strains with South African or Brazilian spike genes and isogenic recombinant viral variants. Many highly neutralizing mAbs engaging the receptor-binding domain or N-terminal domain and most convalescent sera and mRNA vaccine-induced immune sera showed reduced inhibitory activity against viruses containing an E484K spike mutation. As antibodies binding to spike receptor-binding domain and N-terminal domain demonstrate diminished neutralization potency in vitro against some emerging variants, updated mAb cocktails targeting highly conserved regions, enhancement of mAb potency or adjustments to the spike sequences of vaccines may be needed to prevent loss of protection in vivo. A comprehensive analysis of antibody neutralization activity against a panel of authentic isolates and chimeric SARS-CoV-2 variants shows markedly diminished neutralizing activity against the variant B.1.351, first identified in South Africa.

SARS-CoV-2 mRNA-based vaccines are about 95% effective in preventing COVID-191–5. The dynamics of antibody-secreting plasmablasts and germinal centre B cells induced by these vaccines in humans remain unclear. Here we examined antigen-specific B cell responses in peripheral blood (n = 41) and draining lymph nodes in 14 individuals who had received 2 doses of BNT162b2, an mRNA-based vaccine that encodes the full-length SARS-CoV-2 spike (S) gene1. Circulating IgG- and IgA-secreting plasmablasts that target the S protein peaked one week after the second immunization and then declined, becoming undetectable three weeks later. These plasmablast responses preceded maximal levels of serum anti-S binding and neutralizing antibodies to an early circulating SARS-CoV-2 strain as well as emerging variants, especially in individuals who had previously been infected with SARS-CoV-2 (who produced the most robust serological responses). By examining fine needle aspirates of draining axillary lymph nodes, we identified germinal centre B cells that bound S protein in all participants who were sampled after primary immunization. High frequencies of S-binding germinal centre B cells and plasmablasts were sustained in these draining lymph nodes for at least 12 weeks after the booster immunization. S-binding monoclonal antibodies derived from germinal centre B cells predominantly targeted the receptor-binding domain of the S protein, and fewer clones bound to the N-terminal domain or to epitopes shared with the S proteins of the human betacoronaviruses OC43 and HKU1. These latter cross-reactive B cell clones had higher levels of somatic hypermutation as compared to those that recognized only the SARS-CoV-2 S protein, which suggests a memory B cell origin. Our studies demonstrate that SARS-CoV-2 mRNA-based vaccination of humans induces a persistent germinal centre B cell response, which enables the generation of robust humoral immunity. Analysis of antigen-specific B cells in lymph nodes of individuals vaccinated with BNT162b2 reveals lasting germinal centre responses, explaining the robust humoral immunity induced by SARS-CoV-2 mRNA-based vaccines.

A wide spectrum of clinical manifestations has become a hallmark of the severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) COVID-19 pandemic, although the immunological underpinnings of diverse disease outcomes remain to be defined. We performed detailed characterization of B cell responses through high-dimensional flow cytometry to reveal substantial heterogeneity in both effector and immature populations. More notably, critically ill patients displayed hallmarks of extrafollicular B cell activation and shared B cell repertoire features previously described in autoimmune settings. Extrafollicular activation correlated strongly with large antibody-secreting cell expansion and early production of high concentrations of SARS-CoV-2-specific neutralizing antibodies. Yet, these patients had severe disease with elevated inflammatory biomarkers, multiorgan failure and death. Overall, these findings strongly suggest a pathogenic role for immune activation in subsets of patients with COVID-19. Our study provides further evidence that targeted immunomodulatory therapy may be beneficial in specific patient subpopulations and can be informed by careful immune profiling. Sanz and colleagues examine B cell subsets in a cohort of patients with COVID-19. Severely ill patients have higher frequencies of activated extrafollicular T-bet+ B cells that form antibody-secreting cells, the majority of which express germline sequences and are reminiscent of antibody responses observed in patients with systemic lupus erythematosus during flares.

Miniproteins against SARS-CoV-2 Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is decorated with spikes, and viral entry into cells is initiated when these spikes bind to the host angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) receptor. Many monoclonal antibody therapies in development target the spike proteins. Cao et al. designed small, stable proteins that bind tightly to the spike and block it from binding to ACE2. The best designs bind with very high affinity and prevent SARS-CoV-2 infection of mammalian Vero E6 cells. Cryo–electron microscopy shows that the structures of the two most potent inhibitors are nearly identical to the computational models. Unlike antibodies, the miniproteins do not require expression in mammalian cells, and their small size and high stability may allow formulation for direct delivery to the nasal or respiratory system. Science , this issue p. 426

Efficient therapeutic options are needed to control the spread of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) that has caused more than 922,000 fatalities as of 13 September 2020. We report the isolation and characterization of two ultrapotent SARS-CoV-2 human neutralizing antibodies (S2E12 and S2M11) that protect hamsters against SARS-CoV-2 challenge. Cryo-electron microscopy structures show that S2E12 and S2M11 competitively block angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) attachment and that S2M11 also locks the spike in a closed conformation by recognition of a quaternary epitope spanning two adjacent receptor-binding domains. Antibody cocktails that include S2M11, S2E12, or the previously identified S309 antibody broadly neutralize a panel of circulating SARS-CoV-2 isolates and activate effector functions. Our results pave the way to implement antibody cocktails for prophylaxis or therapy, circumventing or limiting the emergence of viral escape mutants.

Abstract The recent emergence of B.1.1.529, the Omicron variant 1,2 , has raised concerns of escape from protection by vaccines and therapeutic antibodies. A key test for potential countermeasures against B.1.1.529 is their activity in preclinical rodent models of respiratory tract disease. Here, using the collaborative network of the SARS-CoV-2 Assessment of Viral Evolution (SAVE) programme of the National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAID), we evaluated the ability of several B.1.1.529 isolates to cause infection and disease in immunocompetent and human ACE2 (hACE2)-expressing mice and hamsters. Despite modelling data indicating that B.1.1.529 spike can bind more avidly to mouse ACE2 (refs. 3,4 ), we observed less infection by B.1.1.529 in 129, C57BL/6, BALB/c and K18-hACE2 transgenic mice than by previous SARS-CoV-2 variants, with limited weight loss and lower viral burden in the upper and lower respiratory tracts. In wild-type and hACE2 transgenic hamsters, lung infection, clinical disease and pathology with B.1.1.529 were also milder than with historical isolates or other SARS-CoV-2 variants of concern. Overall, experiments from the SAVE/NIAID network with several B.1.1.529 isolates demonstrate attenuated lung disease in rodents, which parallels preliminary human clinical data.