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.

Summary SARS-CoV-2 mRNA vaccines induce robust anti-spike (S) antibody and CD4+ T cell responses. It is not yet clear whether vaccine-induced follicular helper CD4+ T (TFH) cell responses contribute to this outstanding immunogenicity. Using fine needle aspiration of draining axillary lymph nodes from individuals who received the BNT162b2 mRNA vaccine, we show that frequency of TFH correlates with that of S-binding germinal center B cells. Mining of the responding TFH T cell receptor repertoire revealed a strikingly immunodominant HLADPB1* 04-restricted response to S167-180 in individuals with this allele, which is among the most common HLA alleles in humans. Paired blood and lymph node specimens show that while circulating S-specific TFH cells peak one week after the second immunization, S-specific TFH persist at nearly constant frequencies for at least six months. Collectively, our results underscore the key role that robust TFH cell responses play in establishing long-term immunity by this efficacious human vaccine.

Germinal centres (GC) are lymphoid structures where vaccine-responding B cells acquire affinity-enhancing somatic hypermutations (SHM), with surviving clones differentiating into memory B cells (MBCs) and long-lived bone marrow plasma cells (BMPCs) 1-4 . Induction of the latter is a hallmark of durable immunity after vaccination 5 . SARS-CoV-2 mRNA vaccination induces a robust GC response in humans 6-8 , but the maturation dynamics of GC B cells and propagation of their progeny throughout the B cell diaspora have not been elucidated. Here we show that anti-SARS-CoV-2 spike (S)-binding GC B cells were detectable in draining lymph nodes for at least six months in 10 out of 15 individuals who had received two doses of BNT162b2, a SARS-CoV-2 mRNA vaccine. Six months after vaccination, circulating S-binding MBCs were detected in all participants (n=42) and S-specific IgG-secreting BMPCs were detected in 9 out of 11 participants. Using a combined approach of single-cell RNA sequencing of responding blood and lymph node B cells from eight participants and expression of the corresponding monoclonal antibodies, we tracked the evolution of 1540 S-specific B cell clones. SHM accumulated along the B cell differentiation trajectory, with early blood plasmablasts showing the lowest frequencies, followed by MBCs and lymph node plasma cells whose SHM largely overlapped with GC B cells. By three months after vaccination, the frequency of SHM within GC B cells had doubled. Strikingly, S + BMPCs detected six months after vaccination accumulated the highest level of SHM, corresponding with significantly enhanced anti-S polyclonal antibody avidity in blood at that time point. This study documents the induction of affinity-matured BMPCs after two doses of SARS-CoV-2 mRNA vaccination in humans, providing a foundation for the sustained high efficacy observed with these vaccines.

The differentiation and specificity of human CD4+ T follicular helper cells (TFH cells) after influenza vaccination have been poorly defined. Here we profiled blood and draining lymph node (LN) samples from human volunteers for over 2 years after two influenza vaccines were administered 1 year apart to define the evolution of the CD4+ TFH cell response. The first vaccination induced an increase in the frequency of circulating TFH (cTFH) and LN TFH cells at week 1 postvaccination. This increase was transient for cTFH cells, whereas the LN TFH cells further expanded during week 2 and remained elevated in frequency for at least 3 months. We observed several distinct subsets of TFH cells in the LN, including pre-TFH cells, memory TFH cells, germinal center (GC) TFH cells and interleukin-10+ TFH cell subsets beginning at baseline and at all time points postvaccination. The shift toward a GC TFH cell phenotype occurred with faster kinetics after the second vaccine compared to the first vaccine. We identified several influenza-specific TFH cell clonal lineages, including multiple responses targeting internal influenza virus proteins, and found that each TFH cell state was attainable within a clonal lineage. Thus, human TFH cells form a durable and dynamic multitissue network. Schattgen et al. profiled the subsets and clonality of CD4+ TFH cells in the blood and lymph nodes of human volunteers who received two influenza vaccines 1 year apart to characterize their dynamics and clonal evolution over 2 years.

Germinal centers (GC) are microanatomical lymphoid structures where affinity-matured memory B cells and long-lived bone marrow plasma cells are primarily generated. It is unclear how the maturation of B cells within the GC impacts the breadth and durability of B cell responses to influenza vaccination in humans. We used fine needle aspiration of draining lymph nodes to longitudinally track antigen-specific GC B cell responses to seasonal influenza vaccination. Antigen-specific GC B cells persisted for at least 13 wk after vaccination in two out of seven individuals. Monoclonal antibodies (mAbs) derived from persisting GC B cell clones exhibit enhanced binding affinity and breadth to influenza hemagglutinin (HA) antigens compared with related GC clonotypes isolated earlier in the response. Structural studies of early and late GC-derived mAbs from one clonal lineage in complex with H1 and H5 HAs revealed an altered binding footprint. Our study shows that inducing sustained GC reactions after influenza vaccination in humans supports the maturation of responding B cells.

Abstract We profiled blood and draining lymph node (LN) samples from human volunteers after influenza vaccination over two years to define evolution in the T follicular helper cell (TFH) response. We show LN TFH cells expanded in a clonal-manner during the first two weeks after vaccination and persisted within the LN for up to six months. LN and circulating TFH (cTFH) clonotypes overlapped but had distinct kinetics. LN TFH cell phenotypes were heterogeneous and mutable, first differentiating into pre-TFH during the month after vaccination before maturing into GC and IL-10+ TFH cells. TFH expansion, upregulation of glucose metabolism, and redifferentiation into GC TFH cells occurred with faster kinetics after re-vaccination in the second year. We identified several influenza-specific TFH clonal lineages, including multiple responses targeting internal influenza proteins, and show each TFH state is attainable within a lineage. This study demonstrates that human TFH cells form a durable and dynamic multi-tissue network.

The primary two-dose SARS-CoV-2 mRNA vaccine series are strongly immunogenic in humans, but the emergence of highly infectious variants necessitated additional doses of these vaccines and the development of new variant-derived ones 1-4 . SARS-CoV-2 booster immunizations in humans primarily recruit pre-existing memory B cells (MBCs) 5-9 . It remains unclear, however, whether the additional doses induce germinal centre (GC) reactions where reengaged B cells can further mature and whether variant-derived vaccines can elicit responses to novel epitopes specific to such variants. Here, we show that boosting with the original SARS- CoV-2 spike vaccine (mRNA-1273) or a B.1.351/B.1.617.2 (Beta/Delta) bivalent vaccine (mRNA-1273.213) induces robust spike-specific GC B cell responses in humans. The GC response persisted for at least eight weeks, leading to significantly more mutated antigen-specific MBC and bone marrow plasma cell compartments. Interrogation of MBC-derived spike-binding monoclonal antibodies (mAbs) isolated from individuals boosted with either mRNA-1273, mRNA-1273.213, or a monovalent Omicron BA.1-based vaccine (mRNA-1273.529) revealed a striking imprinting effect by the primary vaccination series, with all mAbs (n=769) recognizing the original SARS-CoV-2 spike protein. Nonetheless, using a more targeted approach, we isolated mAbs that recognized the spike protein of the SARS-CoV-2 Omicron (BA.1) but not the original SARS-CoV-2 spike from the mRNA-1273.529 boosted individuals. The latter mAbs were less mutated and recognized novel epitopes within the spike protein, suggesting a naïve B cell origin. Thus, SARS-CoV-2 boosting in humans induce robust GC B cell responses, and immunization with an antigenically distant spike can overcome the antigenic imprinting by the primary vaccination series.