Immune profiling of COVID-19 patients Coronavirus disease 2019 (COVID-19) has affected millions of people globally, yet how the human immune system responds to and influences COVID-19 severity remains unclear. Mathew et al. present a comprehensive atlas of immune modulation associated with COVID-19. They performed high-dimensional flow cytometry of hospitalized COVID-19 patients and found three prominent and distinct immunotypes that are related to disease severity and clinical parameters. Arunachalam et al. report a systems biology approach to assess the immune system of COVID-19 patients with mild-to-severe disease. These studies provide a compendium of immune cell information and roadmaps for potential therapeutic interventions. Science , this issue p. eabc8511 , p. 1210

The serum level of RBD-binding antibodies correlates with SARS-CoV-2 neutralization and can be used for population-level surveillance.

The 2009 pandemic H1N1 influenza pandemic demonstrated the global health threat of reassortant influenza strains. Herein, we report a detailed analysis of plasmablast and monoclonal antibody responses induced by pandemic H1N1 infection in humans. Unlike antibodies elicited by annual influenza vaccinations, most neutralizing antibodies induced by pandemic H1N1 infection were broadly cross-reactive against epitopes in the hemagglutinin (HA) stalk and head domain of multiple influenza strains. The antibodies were from cells that had undergone extensive affinity maturation. Based on these observations, we postulate that the plasmablasts producing these broadly neutralizing antibodies were predominantly derived from activated memory B cells specific for epitopes conserved in several influenza strains. Consequently, most neutralizing antibodies were broadly reactive against divergent H1N1 and H5N1 influenza strains. This suggests that a pan-influenza vaccine may be possible, given the right immunogen. Antibodies generated potently protected and rescued mice from lethal challenge with pandemic H1N1 or antigenically distinct influenza strains, making them excellent therapeutic candidates.

To explore the human T cell response to acute viral infection, we performed a longitudinal analysis of CD8+ T cells responding to the live yellow fever virus and smallpox vaccines—two highly successful human vaccines. Our results show that both vaccines generated a brisk primary effector CD8+ T cell response of substantial magnitude that could be readily quantitated with a simple set of four phenotypic markers. Secondly, the vaccine-induced T cell response was highly specific with minimal bystander effects. Thirdly, virus-specific CD8+ T cells passed through an obligate effector phase, contracted more than 90% and gradually differentiated into long-lived memory cells. Finally, these memory cells were highly functional and underwent a memory differentiation program distinct from that described for human CD8+ T cells specific for persistent viruses. These results provide a benchmark for CD8+ T cell responses induced by two of the most effective vaccines ever developed.

Significance In this study, we address the issue of cross-reactivity between dengue virus (DENV) and Zika virus (ZIKV) by testing sera and plasmablast-derived monoclonal antibodies from dengue patients against ZIKV. We show that both acute and convalescent dengue sera potently bind and neutralize ZIKV and that this cross-reactivity is also evident at the monoclonal level. We also demonstrate in vitro antibody-dependent enhancement of ZIKV infection in the presence of dengue-induced antibodies. Our findings strongly suggest that preexisting dengue antibodies may modulate immune responses to ZIKV infection. These data are timely and highly relevant from a public health standpoint given that a majority of regions currently experiencing Zika virus epidemics are endemic for dengue.

Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) mutations may diminish vaccine-induced protective immune responses, particularly as antibody titers wane over time. Here, we assess the effect of SARS-CoV-2 variants B.1.1.7 (Alpha), B.1.351 (Beta), P.1 (Gamma), B.1.429 (Epsilon), B.1.526 (Iota), and B.1.617.2 (Delta) on binding, neutralizing, and angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2)–competing antibodies elicited by the messenger RNA (mRNA) vaccine mRNA-1273 over 7 months. Cross-reactive neutralizing responses were rare after a single dose. At the peak of response to the second vaccine dose, all individuals had responses to all variants. Binding and functional antibodies against variants persisted in most subjects, albeit at low levels, for 6 months after the primary series of the mRNA-1273 vaccine. Across all assays, B.1.351 had the lowest antibody recognition. These data complement ongoing studies to inform the potential need for additional boost vaccinations.

SARS-CoV-2, the virus responsible for COVID-19, is causing a devastating worldwide pandemic, and there is a pressing need to understand the development, specificity, and neutralizing potency of humoral immune responses during acute infection. We report a cross-sectional study of antibody responses to the receptor-binding domain (RBD) of the spike protein and virus neutralization activity in a cohort of 44 hospitalized COVID-19 patients. RBD-specific IgG responses are detectable in all patients 6 days after PCR confirmation. Isotype switching to IgG occurs rapidly, primarily to IgG1 and IgG3. Using a clinical SARS-CoV-2 isolate, neutralizing antibody titers are detectable in all patients by 6 days after PCR confirmation and correlate with RBD-specific binding IgG titers. The RBD-specific binding data were further validated in a clinical setting with 231 PCR-confirmed COVID-19 patient samples. These findings have implications for understanding protective immunity against SARS-CoV-2, therapeutic use of immune plasma, and development of much-needed vaccines.

Although the three vaccines against coronavirus disease 2019 (Covid-19) that have received emergency use authorization in the United States are highly effective, breakthrough infections are occurring. Data are needed on the serial use of homologous boosters (same as the primary vaccine) and heterologous boosters (different from the primary vaccine) in fully vaccinated recipients.In this phase 1-2, open-label clinical trial conducted at 10 sites in the United States, adults who had completed a Covid-19 vaccine regimen at least 12 weeks earlier and had no reported history of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infection received a booster injection with one of three vaccines: mRNA-1273 (Moderna) at a dose of 100 μg, Ad26.COV2.S (Johnson & Johnson-Janssen) at a dose of 5×1010 virus particles, or BNT162b2 (Pfizer-BioNTech) at a dose of 30 μg. The primary end points were safety, reactogenicity, and humoral immunogenicity on trial days 15 and 29.Of the 458 participants who were enrolled in the trial, 154 received mRNA-1273, 150 received Ad26.COV2.S, and 153 received BNT162b2 as booster vaccines; 1 participant did not receive the assigned vaccine. Reactogenicity was similar to that reported for the primary series. More than half the recipients reported having injection-site pain, malaise, headache, or myalgia. For all combinations, antibody neutralizing titers against a SARS-CoV-2 D614G pseudovirus increased by a factor of 4 to 73, and binding titers increased by a factor of 5 to 55. Homologous boosters increased neutralizing antibody titers by a factor of 4 to 20, whereas heterologous boosters increased titers by a factor of 6 to 73. Spike-specific T-cell responses increased in all but the homologous Ad26.COV2.S-boosted subgroup. CD8+ T-cell levels were more durable in the Ad26.COV2.S-primed recipients, and heterologous boosting with the Ad26.COV2.S vaccine substantially increased spike-specific CD8+ T cells in the mRNA vaccine recipients.Homologous and heterologous booster vaccines had an acceptable safety profile and were immunogenic in adults who had completed a primary Covid-19 vaccine regimen at least 12 weeks earlier. (Funded by the National Institute of Allergy and Infectious Diseases; DMID 21-0012 ClinicalTrials.gov number, NCT04889209.).

The differentiation of human memory CD8 T cells is not well understood. Here we address this issue using the live yellow fever virus (YFV) vaccine, which induces long-term immunity in humans. We used in vivo deuterium labelling to mark CD8 T cells that proliferated in response to the virus and then assessed cellular turnover and longevity by quantifying deuterium dilution kinetics in YFV-specific CD8 T cells using mass spectrometry. This longitudinal analysis showed that the memory pool originates from CD8 T cells that divided extensively during the first two weeks after infection and is maintained by quiescent cells that divide less than once every year (doubling time of over 450 days). Although these long-lived YFV-specific memory CD8 T cells did not express effector molecules, their epigenetic landscape resembled that of effector CD8 T cells. This open chromatin profile at effector genes was maintained in memory CD8 T cells isolated even a decade after vaccination, indicating that these cells retain an epigenetic fingerprint of their effector history and remain poised to respond rapidly upon re-exposure to the pathogen. In vivo deuterium labelling reveals a quiescent population of long-lived human virus-specific memory CD8 T cells that maintain the epigenetic landscape of effector cells, which facilitates rapid responses to pathogen re-exposure. Memory cells protect against reinfection, or protect against infection after vaccination, but whether they are derived from naive or effector T cells is unknown. Rafi Ahmed and colleagues study the generation, maintenance and characteristics of long-lived memory CD8 T cells in humans after yellow fever vaccination and deuterium labelling. The study demonstrates that long-lived memory CD8 T cells are derived from cells that have divided extensively during the effector phase of the infection. Quiescent memory cells appear to revert to a naive phenotype but maintain an upregulated pattern of gene regulation that resembles effector T cells. In a second paper in this issue, Rafi Ahmed and colleagues examine changes in DNA methylation during effector and memory CD8 T cell differentiation, providing support for a model in which long-lived memory cells arise from a precursor of effector cells.

Ending the COVID-19 pandemic will require long-lived immunity to SARS-CoV-2. Here, we evaluate 254 COVID-19 patients longitudinally up to 8 months and find durable broad-based immune responses. SARS-CoV-2 spike binding and neutralizing antibodies exhibit a bi-phasic decay with an extended half-life of >200 days suggesting the generation of longer-lived plasma cells. SARS-CoV-2 infection also boosts antibody titers to SARS-CoV-1 and common betacoronaviruses. In addition, spike-specific IgG+ memory B cells persist, which bodes well for a rapid antibody response upon virus re-exposure or vaccination. Virus-specific CD4+ and CD8+ T cells are polyfunctional and maintained with an estimated half-life of 200 days. Interestingly, CD4+ T cell responses equally target several SARS-CoV-2 proteins, whereas the CD8+ T cell responses preferentially target the nucleoprotein, highlighting the potential importance of including the nucleoprotein in future vaccines. Taken together, these results suggest that broad and effective immunity may persist long-term in recovered COVID-19 patients.