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.

SUMMARY The recently emerged SARS-CoV-2 Omicron variant harbors 37 amino acid substitutions in the spike (S) protein, 15 of which are in the receptor-binding domain (RBD), thereby raising concerns about the effectiveness of available vaccines and antibody therapeutics. Here, we show that the Omicron RBD binds to human ACE2 with enhanced affinity relative to the Wuhan-Hu-1 RBD and acquires binding to mouse ACE2. Severe reductions of plasma neutralizing activity were observed against Omicron compared to the ancestral pseudovirus for vaccinated and convalescent individuals. Most (26 out of 29) receptor-binding motif (RBM)-directed monoclonal antibodies (mAbs) lost in vitro neutralizing activity against Omicron, with only three mAbs, including the ACE2-mimicking S2K146 mAb 1 , retaining unaltered potency. Furthermore, a fraction of broadly neutralizing sarbecovirus mAbs recognizing antigenic sites outside the RBM, including sotrovimab 2 , S2X259 3 and S2H97 4 , neutralized Omicron. The magnitude of Omicron-mediated immune evasion and the acquisition of binding to mouse ACE2 mark a major SARS-CoV-2 mutational shift. Broadly neutralizing sarbecovirus mAbs recognizing epitopes conserved among SARS-CoV-2 variants and other sarbecoviruses may prove key to controlling the ongoing pandemic and future zoonotic spillovers.

The SARS-CoV-2 Omicron variant of concern comprises three sublineages designated BA.1, BA.2, and BA.3, with BA.2 steadily replacing the globally dominant BA.1. We show that the large number of BA.1 and BA.2 spike mutations severely dampen plasma neutralizing activity elicited by infection or seven clinical vaccines, with cross-neutralization of BA.2 being consistently more potent than that of BA.1, independent of the vaccine platform and number of doses. Although mRNA vaccines induced the greatest magnitude of Omicron BA.1 and BA.2 plasma neutralizing activity, administration of a booster based on the Wuhan-Hu-1 spike sequence markedly increased neutralizing antibody titers and breadth against BA.1 and BA.2 across all vaccines evaluated. Our data suggest that although BA.1 and BA.2 evade polyclonal neutralizing antibody responses, current vaccine boosting regimens may provide sufficient protection against Omicron-induced disease.

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.

Numerous safe and effective COVID-19 vaccines have been developed that utilize various delivery technologies and engineering strategies. The influence of the SARS-CoV-2 spike (S) glycoprotein conformation on antibody responses induced by vaccination or infection in humans remains unknown. To address this question, we compared plasma antibodies elicited by six globally-distributed vaccines or infection and observed markedly higher binding titers for vaccines encoding a prefusion-stabilized S relative to other groups. Prefusion S binding titers positively correlated with plasma neutralizing activity, indicating that physical stabilization of the prefusion conformation enhances protection against SARS-CoV-2. We show that almost all plasma neutralizing activity is directed to prefusion S, in particular the S 1 subunit, and that variant cross-neutralization is mediated solely by RBD-specific antibodies. Our data provide a quantitative framework for guiding future S engineering efforts to develop vaccines with higher resilience to the emergence of variants and longer durability than current technologies.

The SARS-CoV-2 Delta variant is currently responsible for most infections worldwide, including among fully vaccinated individuals. Although these latter infections are associated with milder COVID-19 disease relative to unvaccinated subjects, the specificity and durability of antibody responses elicited by Delta breakthrough cases remain unknown. Here, we demonstrate that breakthrough infections induce serum binding and neutralizing antibody responses that are markedly more potent, durable and resilient to spike mutations observed in variants of concern than those observed in subjects who were infected only or received only two doses of COVID-19 vaccine. However, wee show that Delta breakthrough cases, subjects who were vaccinated after SARS-CoV-2 infection and individuals vaccinated three times (without infection) have serum neutralizing activity of comparable magnitude and breadth indicate that multiple types of exposure or increased number of exposures to SARS-CoV-2 antigen(s) enhance spike-specific antibody responses. Neutralization of the genetically divergent SARS-CoV, however, was moderate with all four cohorts examined, except after four exposures to the SARS-CoV-2 spike, underscoring the importance of developing vaccines eliciting broad sarbecovirus immunity for pandemic preparedness.

Abstract Neutralization assays are experimental surrogates for the effectiveness of infection- or vaccine-elicited polyclonal antibodies and therapeutic monoclonal antibodies targeting SARS-CoV-2. However, the measured neutralization can depend on details of the experimental assay. Here we systematically assess how ACE2 expression in target cells affects neutralization by antibodies to different spike epitopes in lentivirus pseudovirus neutralization assays. For high ACE2-expressing target cells, receptor binding domain (RBD) antibodies account for nearly all neutralizing activity in polyclonal human sera. But for lower ACE2-expressing target cells, antibodies targeting regions outside the RBD make a larger (although still modest) contribution to serum neutralization. These serum-level results are mirrored for monoclonal antibodies: N-terminal domain (NTD) antibodies and RBD antibodies that do not compete for ACE2 binding incompletely neutralize on high ACE2-expressing target cells, but completely neutralize on cells with lower ACE2 expression. Our results show that ACE2 expression level in the target cells is an important experimental variable, and that high ACE2 expression emphasizes the role of a subset of RBD-directed antibodies.

Exposure histories to SARS-CoV-2 variants and vaccinations will shape the specificity of antibody responses. To understand the specificity of Delta-elicited antibody immunity, we characterize the polyclonal antibody response elicited by primary or mRNA vaccine-breakthrough Delta infections. Both types of infection elicit a neutralizing antibody response focused heavily on the receptor-binding domain (RBD). We use deep mutational scanning to show that mutations to the RBD's class 1 and class 2 epitopes, including sites 417, 478, and 484-486 often reduce binding of these Delta-elicited antibodies. The anti-Delta antibody response is more similar to that elicited by early 2020 viruses than the Beta variant, with mutations to the class 1 and 2, but not class 3 epitopes, having the largest effects on polyclonal antibody binding. In addition, mutations to the class 1 epitope (e.g., K417N) tend to have larger effects on antibody binding and neutralization in the Delta spike than in the D614G spike, both for vaccine- and Delta-infection-elicited antibodies. These results help elucidate how the antigenic impacts of SARS-CoV-2 mutations depend on exposure history.

Control of the COVID-19 pandemic will rely on SARS-CoV-2 vaccine-elicited antibodies to protect against emerging and future variants; an understanding of the unique features of the humoral responses to infection and vaccination, including different vaccine platforms, is needed to achieve this goal.The epitopes and pathways of escape for Spike-specific antibodies in individuals with diverse infection and vaccination history were profiled using Phage-DMS. Principal component analysis was performed to identify regions of antibody binding along the Spike protein that differentiate the samples from one another. Within these epitope regions we determined potential escape mutations by comparing antibody binding of peptides containing wildtype residues versus peptides containing a mutant residue.Individuals with mild infection had antibodies that bound to epitopes in the S2 subunit within the fusion peptide and heptad-repeat regions, whereas vaccinated individuals had antibodies that additionally bound to epitopes in the N- and C-terminal domains of the S1 subunit, a pattern that was also observed in individuals with severe disease due to infection. Epitope binding appeared to change over time after vaccination, but other covariates such as mRNA vaccine dose, mRNA vaccine type, and age did not affect antibody binding to these epitopes. Vaccination induced a relatively uniform escape profile across individuals for some epitopes, whereas there was much more variation in escape pathways in in mildly infected individuals. In the case of antibodies targeting the fusion peptide region, which was a common response to both infection and vaccination, the escape profile after infection was not altered by subsequent vaccination.The finding that SARS-CoV-2 mRNA vaccination resulted in binding to additional epitopes beyond what was seen after infection suggests protection could vary depending on the route of exposure to Spike antigen. The relatively conserved escape pathways to vaccine-induced antibodies relative to infection-induced antibodies suggests that if escape variants emerge, they may be readily selected for across vaccinated individuals. Given that the majority of people will be first exposed to Spike via vaccination and not infection, this work has implications for predicting the selection of immune escape variants at a population level.This work was supported by NIH grants AI138709 (PI Overbaugh) and AI146028 (PI Matsen). Julie Overbaugh received support as the Endowed Chair for Graduate Education (FHCRC). The research of Frederick Matsen was supported in part by a Faculty Scholar grant from the Howard Hughes Medical Institute and the Simons Foundation. Scientific Computing Infrastructure at Fred Hutch was funded by ORIP grant S10OD028685.

Immune imprinting - also known as original antigenic sin describes how the first exposure a virus shapes the immunological outcome of subsequent exposures to antigenically related strains. SARS-CoV-2 Omicron breakthrough infections and bivalent COVID-19 vaccination were shown to primarily recall cross-reactive memory B cells and antibodies induced by prior mRNA vaccination with the Wuhan-Hu-1 spike rather than priming naive B cells that recognize Omicron-specific epitopes. These findings underscored a strong immune imprinting resulting from repeated Wuhan-Hu-1 spike exposures. To understand if immune imprinting can be overcome, we investigated memory and plasma antibody responses after administration of the updated XBB.1.5 COVID mRNA vaccine booster. Our data show that the XBB.1.5 booster elicits neutralizing antibody responses against current variants that are dominated by recall of pre-existing memory B cells previously induced by the Wuhan-Hu-1 spike. These results indicate that immune imprinting persists even after multiple exposures to Omicron spikes through vaccination and infection, including post XBB.1.5 spike booster mRNA vaccination, which will need to be considered to guide the design of future vaccine boosters.