Abstract Many factors determine whether an individual responding to vaccination will generate an immune response that can lead to protection. Several studies have shown that the pre-vaccination immune state is associated with the antibody response to vaccines. However, the generalizability and mechanisms that underlie this association remain poorly defined. Here, we sought to identify a common pre-vaccination signature and mechanisms that could predict the immune response across a wide variety of vaccines. We leveraged the “Immune Signatures Data Resource” created by the NIH Human Immunology Project Consortium (HIPC) to integrate data from 28 studies involving 13 different vaccines and associate the blood transcriptional status of 820 healthy young adults with their responses. An unsupervised analysis of blood transcriptional profiles across studies revealed three distinct pre-vaccination states, characterized by the differential expression of genes associated with a pro-inflammatory response, cell proliferation, and metabolism alterations downstream of NFκB and IRF7. Innate and adaptive immune cell subset-specific genes were also associated with the three pre-vaccination states. Importantly, individuals whose pre-vaccination state was enriched in pro-inflammatory response genes known to be downstream of NFκB tended to have higher serum antibody responses one month after vaccination. A supervised analysis of the same data resulted in a single classifier, also enriched for NFκB regulated genes, that predicted the antibody response across most of the vaccines. Projection into single-cell RNA-sequencing data suggested that this pre-vaccination state was attributable to the signature of activation of non-classical monocytes and myeloid dendritic cells. Transcriptional signatures of acute responses to bacterial and not viral infections were enriched in the high pro-inflammatory pre-vaccination state and also included NFκB regulated genes. The pro-inflammatory pre-vaccination state was highly reminiscent of the innate activation state triggered by TLR ligands or adjuvants. These results demonstrate that wide variations in the transcriptional state of the immune system in humans can be a key determinant of responsiveness to vaccination. They also define a transcriptional signature NFκB activation at baseline, that is associated with a greater magnitude of antibody response to multiple vaccines, and suggest that modulation of the innate immune system by next-generation adjuvants targeting NFκB before vaccine administration may improve vaccine responsiveness.

Abstract Vaccines are among the most cost-effective public health interventions for preventing infection-induced morbidity and mortality, yet much remains to be learned regarding the mechanisms by which vaccines protect. Systems immunology combines traditional immunology with modern ‘omic profiling techniques and computational modeling to promote rapid and transformative advances in vaccinology and vaccine discovery. The NIH/NIAID Human Immunology Project Consortium (HIPC) has leveraged systems immunology approaches to identify molecular signatures associated with the immunogenicity of many vaccines, including those targeting seasonal influenza, yellow fever, and hepatitis B. These data are made available to the broader scientific community through the ImmuneSpace data portal and analysis engine leveraging the NIH/NIAID ImmPort repository 1,2 . However, a barrier to progress in this area is that comparative analyses have been limited by the distributed nature of some data, potential batch effects across studies, and the absence of multiple relevant studies from non-HIPC groups in ImmPort. To support comparative analyses across different vaccines, we have created the Immune Signatures Data Resource, a compendium of standardized systems vaccinology datasets. This data resource is available through ImmuneSpace , along with code to reproduce the processing and batch normalization starting from the underlying study data in ImmPort and the Gene Expression Omnibus (GEO). The current release comprises 1405 participants from 53 cohorts profiling the response to 24 different vaccines and includes transcriptional profiles and antibody response measurements. This novel systems vaccinology data release represents a valuable resource for comparative and meta-analyses that will accelerate our understanding of mechanisms underlying vaccine responses.

SUMMARY An important goal of clinical genomics is to be able to estimate the risk of adverse disease outcomes. Between 5% and 10% of ulcerative colitis (UC) patients require colectomy within five years of diagnosis, but polygenic risk scores (PRS) utilizing findings from GWAS are unable to provide meaningful prediction of this adverse status. By contrast, in Crohn’s disease, gene expression profiling of GWAS-significant genes does provide some stratification of risk of progression to complicated disease in the form of a Transcriptional Risk Score (TRS). Here we demonstrate that both measured (TRS) and polygenic predicted gene expression (PPTRS) identify UC patients at 5-fold elevated risk of colectomy with data from the PROTECT clinical trial and UK Biobank population cohort studies, independently replicated in an NIDDK-IBDGC dataset. Prediction of gene expression from relatively small transcriptome datasets can thus be used in conjunction with transcriptome-wide association studies to stratify risk of disease complications.

Abstract Systems biology approaches have been used to define molecular signatures and mechanisms of immunity to vaccination. However, most such studies have been done with single vaccines, and comparative analysis of the response to different vaccines is lacking. We integrated temporal transcriptional data of over 3,000 samples, obtained from 820 healthy adults across 28 studies of 13 different vaccines and analyzed vaccination-induced signatures associated with the antibody response. Most vaccines induced similar kinetics of shared transcriptional signatures, including signatures of innate immunity occurring 1-3 days post-vaccination, as well as the canonical plasmablast and cell cycle signatures appearing 7 days post-vaccination. However, the yellow fever vaccine YF-17D uniquely induced an early transient signature of T and B cell activation at Day 1, followed by delayed antiviral/interferon and plasmablast signatures that peaked at Days 7 and 14-21, respectively. Thus, despite the shared transcriptional response to most vaccines, at any given time point there was no evidence for a “universal signature” that could be used to predict the antibody response to all vaccines. However, accounting for the asynchronous nature of responses led to the identification of a time-adjusted signature that improved prediction antibody of responses across vaccines. These results provide a transcriptional atlas of the human immune response to vaccination and define a common, time-adjusted signature of antibody responses to vaccination.

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.

To identify factors that regulate gut microbiota density and the impact of varied microbiota density on health, we assayed this fundamental ecosystem property in fecal samples across mammals, human disease, and therapeutic interventions. Physiologic features of the host (carrying capacity) and the fitness of the gut microbiota shape microbiota density. Therapeutic manipulation of microbiota density in mice altered host metabolic and immune homeostasis. In humans, gut microbiota density was reduced in Crohn's disease, ulcerative colitis, and ileal pouch-anal anastomosis. The gut microbiota in recurrent Clostridium difficile infection had lower density and reduced fitness that were restored by fecal microbiota transplantation. Understanding the interplay between microbiota and disease in terms of microbiota density, host carrying capacity, and microbiota fitness provide new insights into microbiome structure and microbiome targeted therapeutics.

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.

Abstract Patients with a disorder of mitochondrial long-chain fatty acid β-oxidation (FAO) have reduced fasting tolerance and may present with hypoketotic hypoglycemia, hepatomegaly, (cardio)myopathy and rhabdomyolysis. Patients should avoid a catabolic state because it increases reliance on FAO as energy source. It is currently unclear whether weight loss through a reduction of caloric intake is safe in patients with a FAO disorder. We used the long-chain acyl-CoA dehydrogenase knockout (LCAD KO) mouse model to study the impact of dietary restriction (DR) on the plasma metabolite profile and cardiac function. For this, LCAD KO and wild type (WT) mice were subjected to DR (70% of ad libitum chow intake) for 4 weeks and compared to ad libitum chow fed mice. We found that DR had a relatively small impact on the plasma metabolite profile of WT and LCAD KO mice. Echocardiography revealed a small decrease in left ventricular systolic function of LCAD KO mice, which was most noticeable after DR, but there was no evidence of DR-induced cardiac remodeling. Our results suggest that weight loss through DR does not have acute and detrimental consequences in a mouse model for FAO disorders.

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.

Abstract Immune dysregulation and cytokine release syndrome have emerged as pathological hallmarks of severe Coronavirus Disease 2019 (COVID-19), leading to the evaluation of cytokine antagonists as therapeutic agents. A number of immune-directed therapies being considered for COVID-19 patients are already in clinical use in chronic inflammatory conditions like inflammatory bowel disease (IBD). These considerations led us to systematically examine the intersections between COVID-19 and the GI tract during health and intestinal inflammation. We have observed that IBD medications, both biologic and non-biologic, do not significantly impact ACE2 and TMPRSS2 expression in the uninflamed intestines. Additionally, by comparing SARS CoV2-induced epithelial gene signatures with IBD-associated genes, we have identified a shared molecular subnetwork between COVID-19 and IBD. These data generate a novel appreciation of the confluence of COVID-19- and IBD-associated inflammation and provide mechanistic insights supporting further investigation of specific IBD drugs in the treatment of COVID-19.