Only a small proportion of patients with cancer show lasting responses to immune checkpoint blockade (ICB)-based monotherapies. The RNA-editing enzyme ADAR1 is an emerging determinant of resistance to ICB therapy and prevents ICB responsiveness by repressing immunogenic double-stranded RNAs (dsRNAs), such as those arising from the dysregulated expression of endogenous retroviral elements (EREs)1-4. These dsRNAs trigger an interferon-dependent antitumour response by activating A-form dsRNA (A-RNA)-sensing proteins such as MDA-5 and PKR5. Here we show that ADAR1 also prevents the accrual of endogenous Z-form dsRNA elements (Z-RNAs), which were enriched in the 3' untranslated regions of interferon-stimulated mRNAs. Depletion or mutation of ADAR1 resulted in Z-RNA accumulation and activation of the Z-RNA sensor ZBP1, which culminated in RIPK3-mediated necroptosis. As no clinically viable ADAR1 inhibitors currently exist, we searched for a compound that can override the requirement for ADAR1 inhibition and directly activate ZBP1. We identified a small molecule, the curaxin CBL0137, which potently activates ZBP1 by triggering Z-DNA formation in cells. CBL0137 induced ZBP1-dependent necroptosis in cancer-associated fibroblasts and reversed ICB unresponsiveness in mouse models of melanoma. Collectively, these results demonstrate that ADAR1 represses endogenous Z-RNAs and identifies ZBP1-mediated necroptosis as a new determinant of tumour immunogenicity masked by ADAR1. Therapeutic activation of ZBP1-induced necroptosis provides a readily translatable avenue for rekindling the immune responsiveness of ICB-resistant human cancers.

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.

Abstract Multi-modal single-cell technologies capable of simultaneously assaying gene expression and surface phenotype across large numbers of immune cells have described extensive heterogeneity within these complex populations, in healthy and diseased states. In the case of T cells, these technologies have made it possible to profile clonotype, defined by T cell receptor (TCR) sequence, and phenotype, as reflected in gene expression (GEX) profile, surface protein expression, and peptide:MHC (pMHC) binding, across large and diverse cell populations. These rich, high-dimensional datasets have the potential to reveal new relationships between TCR sequence and T cell phenotype that go beyond identification of features shared by clonally related cells. In order to uncover these connections in an unbiased way, we developed a graph-theoretic approach---clonotype neighbor-graph analysis or “CoNGA”---that identifies correlations between GEX profile and TCR sequence through statistical analysis of a pair of T cell similarity graphs, one in which cells are linked based on gene expression similarity and another in which cells are linked by similarity of TCR sequence. Applying CoNGA across diverse human and mouse T cell datasets uncovered known and novel associations between TCR sequence features and cellular phenotype including the classical invariant T cell subsets; a novel defined population of human blood CD8+ T cells expressing the transcription factors HOBIT and HELIOS , NK-associated receptors, and a biased TCR repertoire, representing a potential previously undescribed lineage of “natural lymphocytes”; a striking association between usage of a specific V-beta gene segment and expression of the EPHB6 gene that is conserved between mouse and human; and TCR sequence determinants of differentiation in developing thymocytes. As the size and scale of single-cell datasets continue to grow, we expect that CoNGA will prove to be a useful tool for deconvolving complex relationships between TCR sequence and cellular state in single-cell applications.

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.

Previous studies have identified cytokines associated with respiratory virus infection illness outcome. However, few studies have included comprehensive cytokine panels, longitudinal analyses, and/or simultaneous assessment across the severity spectrum. This, coupled with subjective definitions of cytokine storm syndrome (CSS), have contributed to inconsistent findings of cytokine signatures, particularly with COVID severity. Here, we measured 38 plasma cytokines and compared profiles in healthy, SARS-CoV-2 infected, and multisystem inflammatory syndrome in children (MIS-C) patients (n = 169). Infected patients spanned the severity spectrum and were classified as Asymptomatic, Mild, Moderate or Severe. Our results showed acute cytokine profiles and longitudinal dynamics of IL1Ra, IL10, MIP1b, and IP10 can differentiate COVID severity groups. Only 4% of acutely infected patients exhibited hypercytokinemia. Of these subjects, 3 were Mild, 3 Moderate, and 1 Severe, highlighting the lack of association between CSS and COVID severity. Additionally, we identified IL1Ra and TNFa as potential biomarkers for patients at high risk for long COVID. Lastly, we compare hypercytokinemia profiles across COVID and influenza patients and show distinct elevated cytokine signatures, wherein influenza induces the most elevated cytokine profile. Together, these results identify key analytes that, if obtained at early time points, can predict COVID illness outcome and/or risk of complications, and provide novel insight for improving the conceptual framework of hypercytokinemia, wherein CSS is a subgroup that requires concomitant severe clinical manifestations, and including a list of cytokines that can distinguish between subtypes of hypercytokinemia.

Abstract Retinoic acid-inducible gene I (RIG-I) is essential for activating host cell innate immunity to regulates the immune response against many RNA viruses. We identified a small molecule compound, KIN1148, that directly binds RIG-I to drive IRF3activation to impart the expression of IRF3-target genes, including specific immunomodulatory cytokines and chemokines. KIN1148 does not lead to ATPase activity or compete with ATP for binding but activates RIG-I to induce antiviral gene expression programs distinct from type I interferon (IFN) treatment. When administered in combination with a vaccine against influenza A virus (IAV), KIN1148 induces both neutralizing antibody and broadly cross-protective IAV-specific T cell responses compared to vaccination alone, which induces comparatively poor responses. This robust KIN1148-adjuvanted immune response protects mice from lethal H1N1 and H5N1 IAV challenge. Importantly, KIN1148 also augments human CD8 + T cell activation. Thus, we have identified a small molecule RIG-I agonist that serves as an effective adjuvant in inducing non-canonical RIG-I activation for induction of innate immune programs that enhance adaptive immune protection of antiviral vaccination. Summary Hemann, et. al. identify a small-molecule RIG-I agonist (KIN1148) that directly binds RIG-I for non-canonical activation and adjuvants pandemic and avian influenza virus vaccination. KIN1148 augments broadly neutralizing antibody and T cell responses in mice and enhances human DC maturation and CD8 + T cell activation.

SARS-CoV-2 has caused millions of infections worldwide since its emergence in 2019. Understanding how infection and vaccination induce mucosal immune responses and how they fluctuate over time is important, especially since they are key in preventing infection and reducing disease severity. We established a novel methodology for assessing SARS-CoV-2 cytokine and antibody responses at the nasal epithelium by using nasopharyngeal swabs collected longitudinally before and after either SARS-CoV-2 infection or vaccination. We then compared responses between mucosal and systemic compartments. We demonstrate that cytokine and antibody profiles differ markedly between compartments. Nasal cytokines show a wound healing phenotype while plasma cytokines are consistent with pro-inflammatory pathways. We found that nasal IgA and IgG have different kinetics after infection, with IgA peaking first. Although vaccination results in low nasal IgA, IgG induction persists for up to 180 days post-vaccination. This research highlights the importance of studying mucosal responses in addition to systemic responses to respiratory infections to understand the correlates of disease severity and immune memory. The methods described herein can be used to further mucosal vaccine development by giving us a better understanding of immunity at the nasal epithelium providing a simpler, alternative clinical practice to studying mucosal responses to infection.A nasopharyngeal swab can be used to study the intranasal immune response and yields much more information than a simple viral diagnosis.

Abstract Checkpoint immunotherapy unleashes T cell antitumor potential which has revolutionized cancer treatment showing unprecedented long-term responses. However, most patients do not respond to immunotherapy which often correlates with a dysfunctional or immunosuppressive myeloid compartment. The mononuclear phagocyte system (MPS) is a sub-class of myeloid cells comprising monocytes, macrophages and dendritic cells which plays a crucial role in tissue homeostasis. However, accumulating evidence suggests that mononuclear phagocytes contribute to all phases of tumorigenesis including orchestrating inflammatory events during de novo carcinogenesis, contribution to the progression of established tumors and promotion of resistance to checkpoint blockade. Thus, targeting the MPS could be an effective strategy to enhance checkpoint blockade efficacy and promote control of tumors. Here, we found that protein kinase C delta (PKCδ), a serine/threonine kinase, is abundantly expressed by mononuclear phagocytes in several human and mouse tumors. PKCδ −/− mice were more resistant to growth of various cancers compared to wild-type mice and were more responsive to anti-PD-1 immunotherapy. Furthermore, we found that tumors from PKCδ −/− mice harbor a Th-1-skewed immune landscape including increased antigen cross-presentation and T cell activation. Depletion of mononuclear phagocytes in vivo altered tumor growth in wild-type mice, but not in PKCδ −/− mice. In addition, coinjection of PKCδ −/− -deficient M2-like macrophages with cancer cells into wild-type mice markedly delayed tumor growth and significantly increased intratumoral T cell activation compared to wild-type M2-like macrophages coinjected with cancer cells. Finally, intrinsic loss of PKCδ −/− functionally reprogrammed macrophages and dendritic cells by promoting their antigen presenting and cross-presenting capacity and triggered type I and type II interferon signaling. Thus, PKCδ might be targeted to reprogram mononuclear phagocytes and augment checkpoint blockade efficacy.