Abstract B cells undergo rapid mutation and selection for antibody binding affinity when producing antibodies capable of neutralizing pathogens. This evolutionary process can be intermixed with migration between tissues, differentiation between cellular subsets, and switching between functional isotypes. B cell receptor (BCR) sequence data has the potential to elucidate important information about these processes. However, there is currently no robust, generalizable framework for making such inferences from BCR sequence data. To address this, we develop three parsimony-based summary statistics to characterize migration, differentiation, and isotype switching along B cell phylogenetic trees. We use simulations to demonstrate the effectiveness of this approach. We then use this framework to infer patterns of cellular differentiation and isotype switching from high throughput BCR sequence datasets obtained from patients in a study of HIV infection and a study of food allergy. These methods are implemented in the R package dowser , available at https://bitbucket.org/kleinstein/dowser . Author summary B cells produce high affinity antibodies through an evolutionary process of mutation and selection during adaptive immune responses. Migration between tissues, differentiation to cellular subtypes, and switching between different antibody isotypes can be important factors in shaping the role B cells play in response to infection, autoimmune disease, and allergies. B cell receptor (BCR) sequence data has the potential to elucidate important information about these processes. However, there is currently no robust, generalizable framework for making such inferences from BCR sequence data. Here, we develop three parsimony-based summary statistics to characterize migration, differentiation, and isotype switching along B cell phylogenetic trees. Using simulations, we confirm the effectiveness of our approach, as well as identify some caveats. We further use these summary statistics to investigate patterns of cellular differentiation in three HIV patients, and patterns of isotype switching in an individual with food allergies. Our methods are released in the R package dowser : https://bitbucket.org/kleinstein/dowser .

Abstract Diverse antibody repertoires spanning multiple lymphoid organs (e.g., bone marrow, spleen, lymph nodes) form the foundation of protective humoral immunity. Changes in their composition across lymphoid organs are a consequence of B-cell selection and migration events leading to a highly dynamic and unique physiological landscape of antibody repertoires upon antigenic challenge (e.g., vaccination). However, to what extent B cells encoding identical or similar antibody sequences (clones) are distributed across multiple lymphoid organs and how this is shaped by the strength of a humoral response, remains largely unexplored. Here, we performed an in-depth systems analysis of antibody repertoires across multiple distinct lymphoid organs of immunized mice, and discovered that organ-specific antibody repertoire features (e.g., germline V-gene usage and clonal expansion profiles) equilibrated upon a strong humoral response (multiple immunizations and high serum titers). This resulted in a surprisingly high degree of repertoire consolidation, characterized by highly connected and overlapping B-cell clones across multiple lymphoid organs. Finally, we revealed distinct physiological axes indicating clonal migrations and showed that antibody repertoire consolidation directly correlated with antigen-specificity. Our study uncovered how a strong humoral response resulted in a more uniform but redundant physiological landscape of antibody repertoires, indicating that increases in antibody serum titers were a result of synergistic contributions from antigen-specific B-cell clones distributed across multiple lymphoid organs. Our findings provide valuable insights for the assessment and design of vaccine strategies.

Abstract Rituximab, a B cell-depleting therapy, is indicated for treating a growing number of autoantibody-mediated autoimmune disorders. However, relapses can occur after treatment and autoantibody-producing B cell subsets may be found during relapses. It is not understood if these autoantibody-producing B cell subsets emerge from the failed depletion of pre-existing B cells or are re-generated de novo . To further define the mechanisms that cause post-rituximab relapse, we studied patients with autoantibody-mediated muscle-specific kinase (MuSK) myasthenia gravis (MG) who relapsed after treatment. We carried out single-cell transcriptional and B cell receptor (BCR) profiling on longitudinal B cell samples. We identified clones present prior to therapy that continued to persist during relapse. Persistent B cell clones included both antibody-secreting cells and memory B cells characterized by gene expression signatures associated with B cell survival. A subset of persistent antibody-secreting cells and memory B cells were specific for the MuSK autoantigen. These results demonstrate that rituximab is not fully effective at eliminating autoantibody-producing B cells and provide a mechanistic understanding of post-rituximab relapse in MuSK MG.

Abstract Poor efficacy of seasonal influenza virus vaccines is often attributed to pre-existing immunity interfering with the persistence and maturation of vaccine-induced B cell responses. 1 Consistent with this notion, no significant increase in somatic hypermutation (SHM) among circulating influenza-binding lineages was detected following seasonal vaccination in humans. 2 A more recent study showed that at least a subset of vaccine-induced B cell lineages are recruited into germinal centers (GCs) following vaccination, suggesting that affinity maturation of these lineages can occur. 3 Crucially, however, it has not been demonstrated whether these GC-engaged lineages actually accumulate additional SHM. Here, we address this point using a phylogenetic test of measurable evolution. We first validate this test through simulations and demonstrate measurable B cell evolution in known examples of affinity maturation such as the response to HIV infection. We then show that lineages in the blood are rarely measurably evolving following influenza vaccination, but that GC-engaged lineages - likely derived from memory B cells - are frequently measurably evolving. These findings confirm that seasonal influenza virus vaccination can stimulate additional SHM among responding B cell lineages.

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 Food allergy is caused by allergen-specific IgE antibodies but little is known about the B cell memory of persistent IgE responses. Here we describe in human pediatric peanut allergy CD23 + IgG1 + memory B cells arising in type 2 responses that contain peanut specific clones and generate IgE cells on activation. These ‘type2-marked’ IgG1 + memory B cells differentially express IL-4/IL-13 regulated genes FCER2 / CD23, IL4R , and germline IGHE and carry highly mutated B cell receptors (BCRs). Further, high affinity memory B cells specific for the main peanut allergen Ara h 2 mapped to the population of ‘type2-marked’ IgG1 + memory B cells and included convergent BCRs across different individuals. Our findings indicate that CD23 + IgG1 + memory B cells transcribing germline IGHE are a unique memory population containing precursors of pathogenic IgE. One-Sentence Summary We describe a unique population of IgG + memory B cells poised to switch to IgE that contains high affinity allergen-specific clones in peanut allergy.

Abstract Elevated N-linked glycosylation of immunoglobulin G variable regions (IgG-V N-Glyc ) is an emerging molecular phenotype associated with autoimmune disorders. To test the broader specificity of elevated IgG-V N-Glyc , we studied patients with distinct subtypes of myasthenia gravis (MG), a B cell-mediated autoimmune disease. Our experimental design included adaptive immune receptor repertoire sequencing to quantify and characterize N-glycosylation sites in the global B cell receptor repertoire, proteomics to examine glycosylation patterns of the circulating IgG, and production of human-derived recombinant autoantibodies, which were studied with mass spectrometry and antigen binding assays to confirm occupation of glycosylation sites and determine whether they alter binding. We found that the frequency of IgG-V N-Glyc motifs was increased in the B cell repertoire of MG patients when compared to healthy donors. Motifs were introduced by both biased V gene segment usage and somatic hypermutation. IgG-V N-Glyc could be observed in the circulating IgG in a subset of MG patients. Autoantigen binding, by patient-derived MG autoantigen-specific monoclonal antibodies with experimentally confirmed presence of IgG-V N-Glyc , was not altered by the glycosylation. Our findings extend prior work on patterns of variable region N-linked glycosylation in autoimmunity to MG subtypes. Although occupied IgG-V N-Glyc motifs are found on MG autoantigen-specific monoclonal antibodies, they are not required for binding to the autoantigen in this disease.

Antibodies are vital to human immune responses and are composed of genetically variable heavy and light chains. These structures are initially expressed as B cell receptors (BCRs). BCR diversity is shaped through somatic hypermutation and selection during immune responses. This evolutionary process produces B cell clones, cells that descend from a common ancestor but differ by mutations. Phylogenetic trees inferred from BCR sequences can reconstruct the history of mutations within a clone. Until recently, BCR sequencing technologies separated heavy and light chains, but advancements in single cell sequencing now pair heavy and light chains from individual cells. However, it is unclear how these separate genes should be combined to infer B cell phylogenies. In this study, we investigated strategies for using paired heavy and light chain sequences to build phylogenetic trees. We found incorporating light chains significantly improved tree accuracy and reproducibility across all methods tested. This improvement was greater than the difference between tree building methods and persisted even when mixing bulk and single cell sequencing data. However, we also found that many phylogenetic methods estimated significantly biased branch lengths when some light chains were missing, such as when mixing single cell and bulk BCR data. This bias was eliminated using maximum likelihood methods with separate branch lengths for heavy and light chain gene partitions. Thus, we recommend using maximum likelihood methods with separate heavy and light chain partitions, especially when mixing data types. We implemented these methods in the R package Dowser: https://dowser.readthedocs.io.

Phylogenetic methods have shown great promise in understanding the development of broadly neutralizing antibody lineages (bNAbs). However, mutational process for generating these lineages - somatic hypermutation (SHM) - is biased by hotspot motifs, which violates important assumptions in most phylogenetic substitution models. Here, we develop a modified GY94-type substitution model which partially accounts for this context-dependency while preserving independence of sites in calculation. This model shows a substantially better fit to three well-characterized bNAb lineages than the standard GY94 model. We show through simulations that accounting for this can lead to reduced bias of other substitution parameters, and more accurate ancestral state reconstructions. We further explore other implications of this model; namely, that the number of hotspot motifs - and therefore likely the mutation rate in general - is expected to decay over time in individual bNAb lineages.

Phylogenetic methods have shown promise in understanding the development of broadly neutralizing antibody lineages (bNAbs). However, the mutational process that generates these lineages—somatic hypermutation (SHM)—is biased by hotspot motifs, which violates important assumptions in most phylogenetic substitution models. Here, we develop a modified GY94-type substitution model that partially accounts for this context-dependency while preserving independence of sites during calculation. This model shows a substantially better fit to three well-characterized bNAb lineages than the standard GY94 model. We show through simulations that accounting for hotspot motifs can lead to reduced bias of other substitution parameters, and more accurate ancestral state reconstructions. We also demonstrate how our model can be used to test hypotheses concerning the roles of different hotspot and coldspot motifs in the evolution of B-cell lineages. Further, we explore the consequences of the idea that the number of hotspot motifs—and perhaps the mutation rate in general—is expected to decay over time in individual bNAb lineages.