Temporal resolution of cellular features associated with a severe COVID-19 disease trajectory is needed for understanding skewed immune responses and defining predictors of outcome. Here, we performed a longitudinal multi-omics study using a two-center cohort of 14 patients. We analyzed the bulk transcriptome, bulk DNA methylome, and single-cell transcriptome (>358,000 cells, including BCR profiles) of peripheral blood samples harvested from up to 5 time points. Validation was performed in two independent cohorts of COVID-19 patients. Severe COVID-19 was characterized by an increase of proliferating, metabolically hyperactive plasmablasts. Coinciding with critical illness, we also identified an expansion of interferon-activated circulating megakaryocytes and increased erythropoiesis with features of hypoxic signaling. Megakaryocyte- and erythroid-cell-derived co-expression modules were predictive of fatal disease outcome. The study demonstrates broad cellular effects of SARS-CoV-2 infection beyond adaptive immune cells and provides an entry point toward developing biomarkers and targeted treatments of patients with COVID-19.

CD4+ T cells reactive against SARS-CoV-2 can be found in unexposed individuals, and these are suggested to arise in response to common cold coronavirus (CCCoV) infection. Here, we utilized SARS-CoV-2-reactive CD4+ T cell enrichment to examine the antigen avidity and clonality of these cells, as well as the relative contribution of CCCoV cross-reactivity. SARS-CoV-2-reactive CD4+ memory T cells were present in virtually all unexposed individuals examined, displaying low functional avidity and multiple, highly variable cross-reactivities that were not restricted to CCCoVs. SARS-CoV-2-reactive CD4+ T cells from COVID-19 patients lacked cross-reactivity to CCCoVs, irrespective of strong memory T cell responses against CCCoV in all donors analyzed. In severe but not mild COVID-19, SARS-CoV-2-specific T cells displayed low functional avidity and clonality, despite increased frequencies. Our findings identify low-avidity CD4+ T cell responses as a hallmark of severe COVID-19 and argue against a protective role for CCCoV-reactive T cells in SARS-CoV-2 infection.

Summary

 The current strategy to detect immunodominant T cell responses focuses on the antigen, employing large peptide pools to screen for functional cell activation. However, these approaches are labor and sample intensive and scale poorly with increasing size of the pathogen peptidome. T cell receptors (TCRs) recognizing the same epitope frequently have highly similar sequences, and thus, the presence of large sequence similarity clusters in the TCR repertoire likely identify the most public and immunodominant responses. Here, we perform a meta-analysis of large, publicly available single-cell and bulk TCR datasets from severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2)-infected individuals to identify public CD4⁺ responses. We report more than 1,200 αβTCRs forming six prominent similarity clusters and validate histocompatibility leukocyte antigen (HLA) restriction and epitope specificity predictions for five clusters using transgenic T cell lines. Collectively, these data provide information on immunodominant CD4⁺ T cell responses to SARS-CoV-2 and demonstrate the utility of the reverse epitope discovery approach.

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.

COVID-19 is a global pandemic caused by the SARS-CoV-2 coronavirus. T cells play a key role in the adaptive antiviral immune response by killing infected cells and facilitating the selection of virus-specific antibodies. However neither the dynamics and cross-reactivity of the SARS-CoV-2-specific T cell response nor the diversity of resulting immune memory are well understood. In this study we use longitudinal high-throughput T cell receptor (TCR) sequencing to track changes in the T cell repertoire following two mild cases of COVID-19. In both donors we identified CD4+ and CD8+ T cell clones with transient clonal expansion after infection. The antigen specificity of CD8+ TCR sequences to SARS-CoV-2 epitopes was confirmed by both MHC tetramer binding and presence in large database of SARS-CoV-2 epitope-specific TCRs. We describe characteristic motifs in TCR sequences of COVID-19-reactive clones and show preferential occurence of these motifs in publicly available large dataset of repertoires from COVID-19 patients. We show that in both donors the majority of infection-reactive clonotypes acquire memory phenotypes. Certain T cell clones were detected in the memory fraction at the pre-infection timepoint, suggesting participation of pre-existing cross-reactive memory T cells in the immune response to SARS-CoV-2.

The amount of scientific data and level of public sharing produced as a consequence of the COVID-19 pandemic, as well as the speed at which these data were produced, far exceeds any previous effort against a specific disease condition. This unprecedented situation allows for development and application of new research approaches. One of the major technical hurdles in immunology is the characterization of HLA-antigen-T cell receptor (TCR) specificities. Most approaches aim to identify reactive T cells starting from known antigens using functional assays. However, the need for a reverse approach identifying the antigen specificity of orphan TCRs is increasing. Utilizing large public single-cell gene expression and TCR datasets, we identified highly public CD4 + T cell responses to SARS-CoV-2, covering >75% of the analysed population. We performed an integrative meta-analysis to deeply characterize these clonotypes by TCR sequence, gene expression, HLA-restriction, and antigen-specificity, identifying strong and public CD4 + immunodominant responses with confirmed specificity. CD4 + COVID-enriched clonotypes show T follicular helper functional features, while clonotypes depleted in SARS-CoV-2 individuals preferentially had a central memory phenotype. In total we identify more than 1200 highly public CD4+ T cell clonotypes reactive to SARS-CoV-2. TCR similarity analysis showed six prominent TCR clusters, for which we predicted both HLA-restriction and cognate SARS-CoV-2 immunodominant epitopes. To validate our predictions we used an independent cohort of TCR repertoires before and after vaccination with ChAdOx1 , a replication-deficient simian adenovirus-vectored vaccine, encoding the SARS-CoV-2 spike protein. We find statistically significant enrichment of the predicted spike-reactive TCRs after vaccination with ChAdOx1 , while the frequency of TCRs specific to other SARS-CoV-2 proteins remains stable. Thus, the CD4-associated TCR repertoire differentiates vaccination from natural infection. In conclusion, our study presents a novel reverse epitope discovery approach that can be used to infer HLA- and antigen-specificity of orphan TCRs in any context, such as viral infections, antitumor immune responses, or autoimmune disease.Identification of highly public CD4+ T cell responses to SARS-CoV-2Systematic prediction of exact immunogenic HLA class II epitopes for CD4+ T cell responseMethodological framework for reverse epitope discovery, which can be applied to other disease contexts and may provide essential insights for future studies and clinical applications.

ABSTRACT Background Inflammatory Bowel Diseases (IBDs), including Crohn’s disease (CD) and ulcerative colitis (UC), are known to involve shifts in the T-cell repertoires of affected individuals. These include a reduction in regulatory T cells in both diseases, increase in TNFα production in CD, expansion of an unconventional T-cell population in CD, and clonal expansion of abundant T-cell populations in CD mucosal tissue. There are also differential HLA risk and protective alleles between CD and UC, implying CD- and UC-specific repertoire changes that have not yet been identified. Methods We performed ImmunoSequencing on blood samples from 3,853 CD cases, 1,803 UC cases, and 5,596 healthy controls. For each sample we imputed HLA type and cytomegalovirus (CMV) infection status based on public T-cell receptor β (TCRB) usage and identified public TCRBs enriched in CD or UC cases. Findings We determine that there is more expansion across clonotypes in CD, but not UC, compared with healthy controls. We also identify novel interactive effects of HLA-DQ heterodimers with CD and UC risk. Strikingly, from blood we identify public TCRBs specifically expanded in CD or UC. These sequences are more abundant in intestinal mucosal samples, form groups of similar CDR3 sequences, and can be associated to specific HLA alleles. Although the prevalence of these sequences is higher in ileal and ileocolonic CD than colonic CD or UC, the TCRB sequences themselves are shared across CD and not between CD and UC. Interpretation There are peptide antigens that commonly evoke immune reactions in IBD cases and rarely in non-IBD controls. These antigens differ between CD and UC. CD, particularly ileal CD, also seems to involve more substantial changes in clonal population structure than UC, compared to healthy controls.

The diverse repertoire of T-cell receptors (TCR) plays a key role in the adaptive immune response to infections. Previous studies show that secondary responses to the yellow fever vaccine - the model for acute infection in humans - are weaker than primary ones, but only quantitative measurements can describe the concentration changes and lineage fates for distinct T-cell clones in vivo over time. Using TCR alpha and beta repertoire sequencing for T-cell subsets, as well as single-cell RNAseq and TCRseq, we track the concentrations and phenotypes of individual T-cell clones in response to primary and secondary yellow fever immunization showing their large diversity. We confirm the secondary response is an order of magnitude weaker, albeit ~10 days faster than the primary one. Estimating the fraction of the T-cell response directed against the single immunodominant epitope, we identify the sequence features of TCRs that define the high precursor frequency of the two major TCR motifs specific for this particular epitope. We also show the consistency of clonal expansion dynamics between bulk alpha and beta repertoires, using a new methodology to reconstruct alpha-beta pairings from clonal trajectories.