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 Currently circulating SARS-CoV-2 variants have acquired convergent mutations at hot spots in the receptor-binding domain 1 (RBD) of the spike protein. The effects of these mutations on viral infection and transmission and the efficacy of vaccines and therapies remains poorly understood. Here we demonstrate that recently emerged BQ.1.1 and XBB.1.5 variants bind host ACE2 with high affinity and promote membrane fusion more efficiently than earlier Omicron variants. Structures of the BQ.1.1, XBB.1 and BN.1 RBDs bound to the fragment antigen-binding region of the S309 antibody (the parent antibody for sotrovimab) and human ACE2 explain the preservation of antibody binding through conformational selection, altered ACE2 recognition and immune evasion. We show that sotrovimab binds avidly to all Omicron variants, promotes Fc-dependent effector functions and protects mice challenged with BQ.1.1 and hamsters challenged with XBB.1.5. Vaccine-elicited human plasma antibodies cross-react with and trigger effector functions against current Omicron variants, despite a reduced neutralizing activity, suggesting a mechanism of protection against disease, exemplified by S309. Cross-reactive RBD-directed human memory B cells remained dominant even after two exposures to Omicron spikes, underscoring the role of persistent immune imprinting.

Worldwide SARS-CoV-2 transmission leads to the recurrent emergence of variants, such as the recently described B.1.617.1 (kappa), B.1.617.2 (delta) and B.1.617.2+ (delta+). The B.1.617.2 (delta) variant of concern is causing a new wave of infections in many countries, mostly affecting unvaccinated individuals, and has become globally dominant. We show that these variants dampen the in vitro potency of vaccine-elicited serum neutralizing antibodies and provide a structural framework for describing the impact of individual mutations on immune evasion. Mutations in the B.1.617.1 (kappa) and B.1.617.2 (delta) spike glycoproteins abrogate recognition by several monoclonal antibodies via alteration of key antigenic sites, including an unexpected remodeling of the B.1.617.2 (delta) N-terminal domain. The binding affinity of the B.1.617.1 (kappa) and B.1.617.2 (delta) receptor-binding domain for ACE2 is comparable to the ancestral virus whereas B.1.617.2+ (delta+) exhibits markedly reduced affinity. We describe a previously uncharacterized class of N-terminal domain-directed human neutralizing monoclonal antibodies cross-reacting with several variants of concern, revealing a possible target for vaccine development.

SARS-CoV-2 Omicron sublineages carry distinct spike mutations and represent an antigenic shift resulting in escape from antibodies induced by previous infection or vaccination. We show that hybrid immunity or vaccine boosters result in potent plasma neutralizing activity against Omicron BA.1 and BA.2 and that breakthrough infections, but not vaccination-only, induce neutralizing activity in the nasal mucosa. Consistent with immunological imprinting, most antibodies derived from memory B cells or plasma cells of Omicron breakthrough cases cross-react with the Wuhan-Hu-1, BA.1 and BA.2 receptor-binding domains whereas Omicron primary infections elicit B cells of narrow specificity. While most clinical antibodies have reduced neutralization of Omicron, we identified an ultrapotent pan-variant antibody, that is unaffected by any Omicron lineage spike mutations and is a strong candidate for clinical development.

Abstract Antibodies are widely used in biology and medicine, and there has been considerable interest in multivalent antibody formats to increase binding avidity and enhance signaling pathway agonism. However, there are currently no general approaches for forming precisely oriented antibody assemblies with controlled valency. We describe the computational design of two-component nanocages that overcome this limitation by uniting form and function. One structural component is any antibody or Fc fusion and the second is a designed Fc-binding homo-oligomer that drives nanocage assembly. Structures of 8 antibody nanocages determined by electron microscopy spanning dihedral, tetrahedral, octahedral, and icosahedral architectures with 2, 6, 12, and 30 antibodies per nanocage match the corresponding computational models. Antibody nanocages targeting cell-surface receptors enhance signaling compared to free antibodies or Fc-fusions in DR5-mediated apoptosis, Tie2-mediated angiogenesis, CD40 activation, and T cell proliferation; nanocage assembly also increases SARS-CoV-2 pseudovirus neutralization by α-SARS-CoV-2 monoclonal antibodies and Fc-ACE2 fusion proteins. We anticipate that the ability to assemble arbitrary antibodies without need for covalent modification into highly ordered assemblies with different geometries and valencies will have broad impact in biology and medicine.

Langya virus (LayV) is a recently discovered henipavirus (HNV), isolated from febrile patients in China. HNV entry into host cells is mediated by the attachment (G) and fusion (F) glycoproteins which are the main targets of neutralizing antibodies. We show here that the LayV F and G glycoproteins promote membrane fusion with human, mouse and hamster target cells using a different, yet unknown, receptor than NiV and HeV and that NiV- and HeV-elicited monoclonal and polyclonal antibodies do not cross-react with LayV F and G. We determined cryo-electron microscopy structures of LayV F, in the prefusion and postfusion states, and of LayV G, revealing previously unknown conformational landscapes and their distinct antigenicity relative to NiV and HeV. We computationally designed stabilized LayV G constructs and demonstrate the generalizability of an HNV F prefusion-stabilization strategy. Our data will support the development of vaccines and therapeutics against LayV and closely related HNVs.

Currently circulating SARS-CoV-2 variants acquired convergent mutations at receptor-binding domain (RBD) hot spots 1 . Their impact on viral infection, transmission, and efficacy of vaccines and therapeutics remains poorly understood. Here, we demonstrate that recently emerged BQ.1.1. and XBB.1 variants bind ACE2 with high affinity and promote membrane fusion more efficiently than earlier Omicron variants. Structures of the BQ.1.1 and XBB.1 RBDs bound to human ACE2 and S309 Fab (sotrovimab parent) explain the altered ACE2 recognition and preserved antibody binding through conformational selection. We show that sotrovimab binds avidly to all Omicron variants, promotes Fc-dependent effector functions and protects mice challenged with BQ.1.1, the variant displaying the greatest loss of neutralization. Moreover, in several donors vaccine-elicited plasma antibodies cross-react with and trigger effector functions against Omicron variants despite reduced neutralizing activity. Cross-reactive RBD-directed human memory B cells remained dominant even after two exposures to Omicron spikes, underscoring persistent immune imprinting. Our findings suggest that this previously overlooked class of cross-reactive antibodies, exemplified by S309, may contribute to protection against disease caused by emerging variants through elicitation of effector functions.