Abstract Fecal IgA production depends on colonization by a gut microbiota. However, the bacterial strains that drive gut IgA production remain largely unknown. By accessing the IgA-inducing capacity of a diverse set of human gut microbial strains, we identified Bacteroides ovatus as the species that best induced gut IgA production. However, this induction varied biomodally across different B. ovatus strains. The high IgA-inducing B. ovatus strains preferentially elicited more IgA production in the large intestine through both T-cell-dependent and T-cell-independent B cell-activation pathways. Remarkably, a low-IgA phenotype in mice could be robustly and consistently converted into a high-IgA phenotype by transplanting a multiplex cocktail of high IgA-inducing B. ovatus strains but not individual ones. Thus, microbial strain specificity is essential for the optimal induction of high-IgA responses in the gut. Our results highlight the critical importance of microbial strains in driving phenotype variation in the mucosal immune system and provide a strategy to robustly modify a gut immune phenotype, including IgA production.

SUMMARY The functional potential of the gut microbiota remains largely uncharacterized. Efforts to understand how the immune system responds to commensal organisms have been hindered by the large number of strains that comprise the human gut microbiota. We develop a screening platform to measure innate immune responses towards 277 bacterial strains isolated from the human gut microbiota. We find that innate immune responses to gut derived bacteria are as strong as responses towards pathogenic bacteria, and vary from phylum to strain. Myeloid cells differentially rely upon TLR2 or TLR4 to sense particular taxa, an observation that predicts in vivo function. These innate immune responses can be modeled using combinations of up to 8 TLR agonists. Furthermore, the immunogenicity of strains is stable over time and following transplantation into new humans. Collectively, we demonstrate a powerful high-throughput approach to determine how commensal microorganisms shape innate immune phenotypes.

Abstract Background and Aims Better biomarkers for prediction of ulcerative colitis (UC) development and prognostication are needed. Anti-integrin αvβ6 autoantibodies (anti-αvβ6) have been described in UC patients. Here, we tested for the presence of anti-αvβ6 antibodies in the pre-clinical phase of UC and studied their association with disease-related outcomes after diagnosis. Methods Anti-αvβ6 were measured in 4 longitudinal serum samples collected from 82 subjects who later developed UC and 82 matched controls from a Department of Defense pre-clinical cohort (PREDICTS). In a distinct, external validation cohort (GEM), we tested 12 pre-UC subjects and 49 matched controls. Further, anti-αvβ6 were measured in 2 incident UC cohorts (COMPASS n=55 and OSCCAR n=104) and associations between anti-αvβ6 and UC-related outcomes were defined using Cox proportional-hazards model. Results Anti-αvβ6 were significantly higher among individuals who developed UC compared to controls up to 10 years before diagnosis in PREDICTS. The anti-αvβ6 seropositivity was 12.2% 10 years before diagnosis and increased to 52.4% at the time of diagnosis in subjects who developed UC compared with 2.7% in controls across the 4 timepoints. Anti-αvβ6 predicted UC development with an AUC of at least 0.8 up to 10 years before diagnosis. The presence of anti-αvβ6 in pre-clinical UC samples was validated in the GEM cohort. Finally, high anti-αvβ6 was associated with a composite of adverse UC-outcomes including hospitalization, disease extension, colectomy, systemic steroid use and/or escalation to biologic therapy in recently diagnosed UC. Conclusion Anti-integrin αvβ6 auto-antibodies precede the clinical diagnosis of UC by up to 10 years and are associated with adverse UC-related outcomes.

SUMMARY The gut microbiota enhances systemic immunoglobulin G (IgG) responses to vaccines. However, it is unknown whether this effect involves IgA, a mucosal antibody that coats intestinal microbes. Here we found that gut IgA increased peripheral IgG responses to pneumococcal vaccines, as these responses were profoundly impaired in mice with global or mucosa-restricted IgA deficiency. The positive effect of IgA on vaccine-induced IgG production implicated gut bacteria. Indeed, IgG responses to pneumococcal vaccines were also defective in ex-germ free mice recolonized with gut microbes from mouse or human IgA-deficient donors. IgA exerted this IgG-enhancing effect by constraining the systemic translocation of intestinal commensal antigens, which caused chronic immune activation, including T cell overexpression of programmed death-1. This immune inhibitory receptor hindered vaccine-specific IgG production by eliciting functional B cell unresponsiveness, which was reverted by anti-programmed death-1 treatment. Thus, gut IgA is functionally interconnected with systemic IgG via intestinal microbes.

Abstract The human nasopharyngeal mucosa includes organized lymphoepithelial structures continually engaged in frontline immune responses to aerodigestive antigens. Advancing our understanding of these responses might lead to the development of new strategies for the prevention and treatment of common immune disorders such as allergies. Here we identified a hitherto elusive tonsillar subset of atypical IgD class-switched IgD + IgM - memory (IgD-ME) B cells that were clonally related to IgD + IgM − germinal center (IgD-GC) B cells and IgD-secreting IgD + IgM − plasma cells (IgD-PCs) but not anergic IgD + IgM − B cells. Consistent with their pre-plasmacellular properties, IgD-ME B cells served as preferential precursors of IgD-PCs over IgD-GC B cells. IgD antibodies from IgD + IgM − cells acquired reactivity to multiple oral, airborne and commensal antigens through a mutation-dependent pathway involving both innate and adaptive signals. Thus, IgD-ME B cells may form a ready-to-use pre-plasmacellular reservoir for steady-state IgD responses likely aimed at enhancing nasopharyngeal homeostasis. One Sentence Summary Tonsillar atypical memory B cells form a ready-to-use pre-plasmacellular repertoire for IgD responses to common aerodigestive antigens.

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 development of variable levels of antibodies with neutralizing activity that can protect against infection in animal models. Antibody levels decrease with time, but the nature and quality of the memory B cells that would be called upon to produce antibodies upon re-infection 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. We find that IgM, and IgG anti-SARS-CoV-2 spike protein receptor binding domain (RBD) antibody titers decrease significantly with IgA being less affected. Concurrently, neutralizing activity in plasma decreases by five-fold in pseudotype virus assays. In contrast, the number of RBD-specific memory B cells is unchanged. Memory B cells display clonal turnover after 6.2 months, and the antibodies they express have greater somatic hypermutation, increased potency and resistance to RBD mutations, indicative of continued evolution of the humoral response. Analysis of intestinal biopsies obtained from asymptomatic individuals 4 months after coronavirus disease-2019 (COVID-19) onset, using immunofluorescence, or polymerase chain reaction, revealed persistence of SARS-CoV-2 nucleic acids and immunoreactivity in the small bowel of 7 out of 14 volunteers. 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.

Herein, we present the first human study of anti-α4β7 therapy in a cohort of HIV-1 infected subjects with mild inflammatory bowel disease. α4β7+ gut homing CD4+ T cells are early viral targets and contribute to HIV-1 pathogenesis, likely by seeding the gastrointestinal (GI) tract with HIV. Although, simianized anti-α4β7 monoclonal antibodies (Mab) have shown promise in preventing or attenuating the disease course of SIV in Non-Human Primate studies, the mechanisms of drug action remain elusive and the impact on HIV-1 persistence remains unanswered. By sampling the immune inductive and effector sites of the GI tract, we have discovered that anti-α4β7 therapy led to a significant and unexpected attenuation of lymphoid aggregates, most notably in the terminal ileum. Given that lymphoid aggregates serve as important sanctuary sites for establishing and maintaining viral reservoirs, their attrition by anti-α4β7 therapy has important implications for HIV-1 therapeutics and eradication efforts, and defines a rational basis for the continued evaluation of anti-α4β7 therapy in HIV-1 infection.

Targeting the α4β7-MAdCAM-1 axis with vedolizumab (VDZ) is a front-line therapeutic paradigm in ulcerative colitis (UC). However, mechanism(s) of action (MOA) of VDZ remain relatively undefined. Here, we examined three distinct cohorts of patients with UC (n=83, n=60, and n=21), to determine the effect of VDZ on the mucosal and peripheral immune system. Transcriptomic studies with protein level validation were used to study drug MOA using conventional and transgenic murine models. We found a significant decrease in colonic and ileal naïve B and T cells and circulating gut-homing plasmablasts (β7 + ) in VDZ-treated patients, pointing to gut-associated lymphoid tissue (GALT) targeting by VDZ. Murine Peyer’s patches (PP) demonstrated a significant loss cellularity associated with reduction in follicular B cells, including a unique population of epithelium-associated B cells, following anti-α4β7 antibody (mAb) administration. Photoconvertible (KikGR) mice unequivocally demonstrated impaired cellular entry into PPs in anti-α4β7 mAb treated mice. In VDZ-treated, but not anti-tumor necrosis factor-treated UC patients, lymphoid aggregate size was significantly reduced in treatment responders compared to non-responders, with an independent validation cohort further confirming these data. GALT targeting represents a novel MOA of α4β7-targeted therapies, with major implications for this therapeutic paradigm in UC, and for the development of new therapeutic strategies.

Gastrointestinal (GI) B cells and plasma cells (PCs), critical to mucosal homeostasis, play an important role in the host response to HIV-1 infection. Here, high resolution mapping of human B cells and PCs from colon and ileum during both viremic and suppressed HIV-1 infection identified a significant reduction in germinal center (GC) B cells and Follicular Dendritic Cells (FDCs) during HIV-1 viremia. Further, IgA+ PCs, the major cellular output of intestinal GCs were significantly reduced during viremic HIV-1 infection. PC-associated transcriptional perturbations, including type I interferon signaling persisted in antiretroviral therapy (ART) treated individuals, suggesting ongoing disruption of the intestinal immune milieu during ART. GI humoral immune perturbations associated with changes in intestinal microbiome composition and systemic inflammation. Herein, we highlight a key immune defect in the GI mucosa due to HIV-1 viremia, with major implications.

Ulcerative colitis (UC) is an idiopathic chronic inflammatory disease of the colon with sharply rising global prevalence. Dysfunctional epithelial compartment (EC) dynamics are implicated in UC pathogenesis although EC-specific studies are sparse. Applying orthogonal high-dimensional EC profiling to a Primary Cohort (PC; n=222), we detail major epithelial and immune cell perturbations in active UC. Prominently, reduced frequencies of mature BEST4+OTOP2+ absorptive and BEST2+WFDC2+ secretory epithelial enterocytes were associated with the replacement of homeostatic, resident TRDC+KLRD1+HOPX+ γδ+ T cells with RORA+CCL20+S100A4+ TH17 cells and the influx of inflammatory myeloid cells. The EC transcriptome (exemplified by S100A8, HIF1A, TREM1, CXCR1) correlated with clinical, endoscopic, and histological severity of UC in an independent validation cohort (n=649). Furthermore, therapeutic relevance of the observed cellular and transcriptomic changes was investigated in 3 additional published UC cohorts (n=23, 48 and 204 respectively) to reveal that non-response to anti-Tumor Necrosis Factor (anti-TNF) therapy was associated with EC related myeloid cell perturbations. Altogether, these data provide high resolution mapping of the EC to facilitate therapeutic decision-making and personalization of therapy in patients with UC.