T cell-mediated immunity may play a critical role in controlling and establishing protective immunity against SARS-CoV-2 infection; yet the repertoire of viral epitopes responsible for T cell response activation remains mostly unknown. Identification of viral peptides presented on class I human leukocyte antigen (HLA-I) can reveal epitopes for recognition by cytotoxic T cells and potential incorporation into vaccines. Here, we report the first HLA-I immunopeptidome of SARS-CoV-2 in two human cell lines at different times post-infection using mass spectrometry. We found HLA-I peptides derived not only from canonical ORFs, but also from internal out-of-frame ORFs in Spike and Nucleoprotein not captured by current vaccines. Proteomics analyses of infected cells revealed that SARS-CoV-2 may interfere with antigen processing and immune signaling pathways. Based on the endogenously processed and presented viral peptides that we identified, we estimate that a pool of 24 peptides would provide one or more peptides for presentation by at least one HLA allele in 99% of the human population. These biological insights and the list of naturally presented SARS-CoV-2 peptides will facilitate data-driven selection of peptides for immune monitoring and vaccine development.

Abstract The rapid global spread and continued evolution of SARS-CoV-2 has highlighted an unprecedented need for viral genomic surveillance and clinical viral sequencing. Amplicon-based sequencing methods provide a sensitive, low-cost and rapid approach but suffer a high potential for contamination, which can undermine lab processes and results. This challenge will only increase with expanding global production of sequences by diverse research groups for epidemiological and clinical interpretation. We present an approach which uses synthetic DNA spike-ins (SDSIs) to track samples and detect inter-sample contamination through a sequencing workflow. Applying this approach to the ARTIC Consortium’s amplicon design, we define a series of best practices for Illumina-based sequencing and provide a detailed characterization of approaches to increase sensitivity for low-viral load samples incorporating the SDSIs. We demonstrate the utility and efficiency of the SDSI method amidst a real-time investigation of a suspected hospital cluster of SARS-CoV-2 cases.

ABSTRACT Targeted synthetic vaccines have the potential to transform our response to viral outbreaks; yet the design of these vaccines requires a comprehensive knowledge of viral immunogens, including T-cell epitopes. Having previously mapped the SARS-CoV-2 HLA-I landscape, here we report viral peptides that are naturally processed and loaded onto HLA-II complexes in infected cells. We identified over 500 unique viral peptides from canonical proteins, as well as from overlapping internal open reading frames (ORFs), revealing, for the first time, the contribution of internal ORFs to the HLA-II peptide repertoire. Most HLA-II peptides co-localized with the known CD4+ T cell epitopes in COVID-19 patients. We also observed that two reported immunodominant regions in the SARS-CoV-2 membrane protein are formed at the level of HLA-II presentation. Overall, our analyses show that HLA-I and HLA-II pathways target distinct viral proteins, with the structural proteins accounting for most of the HLA-II peptidome and non-structural and non-canonical proteins accounting for the majority of the HLA-I peptidome. These findings highlight the need for a vaccine design that incorporates multiple viral elements harboring CD4+ and CD8+ T cell epitopes to maximize the vaccine effectiveness.