SARS-CoV-2 has infected over 200 million and caused more than 4 million deaths to date. Most individuals (>80%) have mild symptoms and recover in the outpatient setting, but detailed studies of immune responses have focused primarily on moderate to severe COVID-19. We deeply profiled the longitudinal immune response in individuals with mild COVID-19 beginning with early time points post-infection (1-15 days) and proceeding through convalescence to >100 days after symptom onset. We correlated data from single cell analyses of peripheral blood cells, serum proteomics, virus-specific cellular and humoral immune responses, and clinical metadata. Acute infection was characterized by vigorous coordinated innate and adaptive immune activation that differed in character by age (young vs. old). We then characterized signals associated with recovery and convalescence to define and validate a new signature of inflammatory cytokines, gene expression, and chromatin accessibility that persists in individuals with post-acute sequelae of SARS-CoV-2 infection (PASC).

Abstract Single-cell assay for transposase-accessible chromatin using sequencing (scATAC-seq) has been increasingly used to study gene regulation. However, major analytical gaps limit its utility in studying gene regulatory programs in complex diseases. We developed MOCHA (Model-based single cell Open CHromatin Analysis) with major advances over existing analysis tools, including: 1) improved identification of sample-specific open chromatin, 2) proper handling of technical drop-out with zero-inflated methods, 3) mitigation of false positives in single cell analysis, 4) identification of alternative transcription-starting-site regulation, and 5) transcription factor–gene network construction from longitudinal scATAC-seq data. These advances provide a robust framework to study gene regulatory programs in human disease. We benchmarked MOCHA with four state-of-the-art tools to demonstrate its advances. We also constructed cross-sectional and longitudinal gene regulatory networks, identifying potential mechanisms of COVID-19 response. MOCHA provides researchers with a robust analytical tool for functional genomic inference from scATAC-seq data.

Single-cell assay for transposase-accessible chromatin using sequencing (scATAC-seq) is being increasingly used to study gene regulation. However, major analytical gaps limit its utility in studying gene regulatory programs in complex diseases. In response, MOCHA (Model-based single cell Open CHromatin Analysis) presents major advances over existing analysis tools, including: 1) improving identification of sample-specific open chromatin, 2) statistical modeling of technical drop-out with zero-inflated methods, 3) mitigation of false positives in single cell analysis, 4) identification of alternative transcription-starting-site regulation, and 5) modules for inferring temporal gene regulatory networks from longitudinal data. These advances, in addition to open chromatin analyses, provide a robust framework after quality control and cell labeling to study gene regulatory programs in human disease. We benchmark MOCHA with four state-of-the-art tools to demonstrate its advances. We also construct cross-sectional and longitudinal gene regulatory networks, identifying potential mechanisms of COVID-19 response. MOCHA provides researchers with a robust analytical tool for functional genomic inference from scATAC-seq data.

Abstract Background The field of single cell technologies has rapidly advanced our comprehension of the human immune system, offering unprecedented insights into cellular heterogeneity and immune function. While cryopreserved peripheral blood mononuclear cell (PBMC) samples enable deep characterization of immune cells, challenges in clinical isolation and preservation limit their application in underserved communities with limited access to research facilities. We present CryoSCAPE (Cryopreservation for Scalable Cellular And Proteomic Exploration), a scalable method for immune studies of human PBMC with multi-omic single cell assays using direct cryopreservation of whole blood. Results Comparative analyses of matched human PBMC from cryopreserved whole blood and density gradient isolation demonstrate the efficacy of this methodology in capturing cell proportions and molecular features. The method was then optimized and verified for high sample throughput using fixed single cell RNA sequencing and liquid handling automation with a single batch of 60 cryopreserved whole blood samples. Additionally, cryopreserved whole blood was demonstrated to be compatible with functional assays, enabling this sample preservation method for clinical research. Conclusions The CryoSCAPE method, optimized for scalability and cost-effectiveness, allows for high-throughput single cell RNA sequencing and functional assays while minimizing sample handling challenges. Utilization of this method in the clinic has the potential to democratize access to single-cell assays and enhance our understanding of immune function across diverse populations.

Abstract: The naive T cell compartment undergoes multiple changes across age that associate with altered susceptibility to infection and autoimmunity. In addition to the acquisition of naive-like memory T cell subsets, mouse studies describe substantial molecular reprogramming of the naive compartment in adults compared with adolescents. However, these alterations are not well delineated in human aging. Using a new trimodal single cell technology (TEA-seq), we discovered that the composition and transcriptional and epigenetic programming of the naive T cell compartment in children (11-13 yrs) is distinct from that of older adults (55-65 yrs). Naive CD4 T cells, previously considered relatively resistant to aging, exhibited far more pronounced molecular reprogramming than naive CD8 T cells, in which alterations are preferentially driven by shifts in naive-like memory subsets. These data reveal the complex nature of the naive T cell compartment that may contribute to differential immune responses across the spectrum of human age. One Sentence Summary: The naive CD8 and CD4 T cell compartments in humans are heterogeneous and impacted differently with age, in which naive CD8 T cell subsets dramatically shift in composition and true naive CD4 T cells display significant molecular re-programming.