Immune profiling of COVID-19 patients Coronavirus disease 2019 (COVID-19) has affected millions of people globally, yet how the human immune system responds to and influences COVID-19 severity remains unclear. Mathew et al. present a comprehensive atlas of immune modulation associated with COVID-19. They performed high-dimensional flow cytometry of hospitalized COVID-19 patients and found three prominent and distinct immunotypes that are related to disease severity and clinical parameters. Arunachalam et al. report a systems biology approach to assess the immune system of COVID-19 patients with mild-to-severe disease. These studies provide a compendium of immune cell information and roadmaps for potential therapeutic interventions. Science , this issue p. eabc8511 , p. 1210

A major challenge for vaccinologists is to understand vaccine immunogenicity. Pulendran and colleagues use systems biology to determine gene 'signatures' that predict CD8+ T cell and antibody responses to the yellow fever vaccine. A major challenge in vaccinology is to prospectively determine vaccine efficacy. Here we have used a systems biology approach to identify early gene 'signatures' that predicted immune responses in humans vaccinated with yellow fever vaccine YF-17D. Vaccination induced genes that regulate virus innate sensing and type I interferon production. Computational analyses identified a gene signature, including complement protein C1qB and eukaryotic translation initiation factor 2 alpha kinase 4—an orchestrator of the integrated stress response—that correlated with and predicted YF-17D CD8+ T cell responses with up to 90% accuracy in an independent, blinded trial. A distinct signature, including B cell growth factor TNFRS17, predicted the neutralizing antibody response with up to 100% accuracy. These data highlight the utility of systems biology approaches in predicting vaccine efficacy.

Dendritic cells (DCs) are unique in their ability to stimulate T cells and initiate adaptive immunity. Injection of mice with the cytokine Flt3-ligand (FL) dramatically expands mature lymphoid and myeloid-related DC subsets. In contrast, injection of a polyethylene glycol-modified form of granulocyte/macrophage colony-stimulating factor (GM-CSF) into mice only expands the myeloid-related DC subset. These DC subsets differ in the cytokine profiles they induce in T cells in vivo. The lymphoid-related subset induces high levels of the Th1 cytokines interferon gamma and interleukin (IL)-2 but little or no Th2 cytokines. In contrast, the myeloid-related subset induces large amounts of the Th2 cytokines IL-4 and IL-10, in addition to interferon gamma and IL-2. FL- or GM-CSF-treated mice injected with soluble ovalbumin display dramatic increases in antigen-specific antibody titers, but the isotype profiles seem critically dependent on the cytokine used. Although FL treatment induces up to a 10, 000-fold increase in ovalbumin-specific IgG2a and a more modest increase in IgG1 titers, GM-CSF treatment favors a predominantly IgG1 response with little increase in IgG2a levels. These data suggest that distinct DC subsets have strikingly different influences on the type of immune response generated in vivo and may thus be targets for pharmacological intervention.

A feature of many successful vaccines is the induction of memory B cells and long-lived plasma cells that can secrete neutralizing antibodies for a lifetime. The mechanisms that stimulate such persistent responses remain poorly understood. Bali Pulendran and colleagues show that nanoparticles containing two Toll-like receptor ligands, proteins with important roles in innate immunity, can boost the magnitude and persistence of vaccine-elicited antibody responses in primates, improving vaccine-mediated protection against influenza virus. Here it is shown that nanoparticles containing two Toll-like receptor ligands can boost the magnitude and persistence of vaccine-elicited antibody responses in primates, improving vaccine-mediated protection against influenza virus. Many successful vaccines induce persistent antibody responses that can last a lifetime. The mechanisms by which they do so remain unclear, but emerging evidence indicates that they activate dendritic cells via Toll-like receptors (TLRs)1,2. For example, the yellow fever vaccine YF-17D, one of the most successful empiric vaccines ever developed3, activates dendritic cells via multiple TLRs to stimulate proinflammatory cytokines4,5. Triggering specific combinations of TLRs in dendritic cells can induce synergistic production of cytokines6, which results in enhanced T-cell responses, but its impact on antibody responses remain unknown. Learning the critical parameters of innate immunity that program such antibody responses remains a major challenge in vaccinology. Here we demonstrate that immunization of mice with synthetic nanoparticles containing antigens plus ligands that signal through TLR4 and TLR7 induces synergistic increases in antigen-specific, neutralizing antibodies compared to immunization with nanoparticles containing antigens plus a single TLR ligand. Consistent with this there was enhanced persistence of germinal centres and of plasma-cell responses, which persisted in the lymph nodes for >1.5 years. Surprisingly, there was no enhancement of the early short-lived plasma-cell response relative to that observed with single TLR ligands. Molecular profiling of activated B cells, isolated 7 days after immunization, indicated that there was early programming towards B-cell memory. Antibody responses were dependent on direct triggering of both TLRs on B cells and dendritic cells, as well as on T-cell help. Immunization protected completely against lethal avian and swine influenza virus strains in mice, and induced robust immunity against pandemic H1N1 influenza in rhesus macaques.

Abstract The ligand for the receptor tyrosine kinase fms-like tyrosine kinase 3 (flt3), also referred to as fetal liver kinase-2 (flk-2), has an important role in hematopoiesis. The flt3 ligand (flt3L) is a growth factor for hematopoietic progenitors and induces hematopoietic progenitor and stem cell mobilization in vivo. In addition, when mice are treated with flt3L immature B cells, natural killer (NK) cells and dendritic cells (DC) are expanded in vivo. To further elucidate the role of flt3L in hematopoiesis, mice lacking flt3L (flt3L−/−) were generated by targeted gene disruption. Leukocyte cellularity was reduced in the bone marrow, peripheral blood, lymph nodes (LN), and spleen. Thymic cellularity, blood hematocrit, and platelet numbers were not affected. Significantly reduced numbers of myeloid and B-lymphoid progenitors were noted in the BM of flt3L−/− mice. In addition a marked deficiency of NK cells in the spleen was noted. DC numbers were also reduced in the spleen, LN, and thymus. Both myeloid-related (CD11c++ CD8−) and lymphoid-related (CD11c++ CD8+) DC numbers were affected. We conclude that flt3L has an important role in the expansion of early hematopoietic progenitors and in the generation of mature peripheral leukocytes.

Here we have used a systems biology approach to study innate and adaptive responses to vaccination against influenza in humans during three consecutive influenza seasons. We studied healthy adults vaccinated with trivalent inactivated influenza vaccine (TIV) or live attenuated influenza vaccine (LAIV). TIV induced higher antibody titers and more plasmablasts than LAIV did. In subjects vaccinated with TIV, early molecular signatures correlated with and could be used to accurately predict later antibody titers in two independent trials. Notably, expression of the kinase CaMKIV at day 3 was inversely correlated with later antibody titers. Vaccination of CaMKIV-deficient mice with TIV induced enhanced antigen-specific antibody titers, which demonstrated an unappreciated role for CaMKIV in the regulation of antibody responses. Thus, systems approaches can be used to predict immunogenicity and provide new mechanistic insights about vaccines.

The functional interpretation of high throughput metabolomics by mass spectrometry is hindered by the identification of metabolites, a tedious and challenging task. We present a set of computational algorithms which, by leveraging the collective power of metabolic pathways and networks, predict functional activity directly from spectral feature tables without a priori identification of metabolites. The algorithms were experimentally validated on the activation of innate immune cells.

Dendritic cells (DCs) are pivotal in determining the class of an adaptive immune response. However, the molecular mechanisms within DCs that determine this decision-making process are unknown. Here, we demonstrate that distinct Toll-like receptor (TLR) ligands instruct human DCs to induce distinct Th cell responses by differentially modulating mitogen-activated protein kinase signaling. Thus, Escherichia coli LPS and flagellin, which trigger TLR4 and TLR5, respectively, instruct DCs to stimulate Th1 responses via IL-12p70 production, which depends on the phosphorylation of p38 and c-Jun N-terminal kinase 1/2. In contrast, the TLR2 agonist, Pam3cys, and the Th2 stimulus, schistosome egg Ags: 1) barely induce IL-12p70; 2) stimulate sustained duration and magnitude of extracellular signal-regulated kinase 1/2 phosphorylation, which results in stabilization of the transcription factor c-Fos, a suppressor of IL-12; and 3) yield a Th2 bias. Thus, distinct TLR agonists differentially modulate extracellular signal-regulated kinase signaling, c-Fos activity, and cytokine responses in DCs to stimulate different Th responses.

Pulendran and colleagues use a systems biology analysis to reveal distinct transcriptional signatures of antibody responses to different classes of human vaccines. Many vaccines induce protective immunity via antibodies. Systems biology approaches have been used to determine signatures that can be used to predict vaccine-induced immunity in humans, but whether there is a 'universal signature' that can be used to predict antibody responses to any vaccine is unknown. Here we did systems analyses of immune responses to the polysaccharide and conjugate vaccines against meningococcus in healthy adults, in the broader context of published studies of vaccines against yellow fever virus and influenza virus. To achieve this, we did a large-scale network integration of publicly available human blood transcriptomes and systems-scale databases in specific biological contexts and deduced a set of transcription modules in blood. Those modules revealed distinct transcriptional signatures of antibody responses to different classes of vaccines, which provided key insights into primary viral, protein recall and anti-polysaccharide responses. Our results elucidate the early transcriptional programs that orchestrate vaccine immunity in humans and demonstrate the power of integrative network modeling.