Summary Antigen recognition through the T cell receptor (TCR) αβ heterodimer is one of the primary determinants of the adaptive immune response. Vaccines activate naïve T cells with high specificity to expand and differentiate into memory T cells. However, antigen-specific memory CD4 T cells exist in unexposed antigen-naïve hosts. In this study, we use high-throughput sequencing of memory CD4 TCRβ repertoire and machine learning to show that individuals with preexisting vaccine-reactive memory CD4 T cell clonotypes elicited earlier and higher antibody titers and mounted a more robust CD4 T cell response to hepatitis B vaccine. In addition, integration of TCRβ sequence patterns into a hepatitis B vaccine specific model can predict which individuals will have an early and more vigorous vaccine-elicited immunity. Thus, the presence of preexisting memory T clonotypes has a significant impact on immunity and can be used to predict immune responses to vaccination.

Abstract Our study aims to investigate the dynamics of conventional memory T cells (Tconv) and regulatory T cells (Treg) following activation, and to explore potential differences between these two cell types. To achieve this, we developed advanced statistical mixed models based on mathematical models of ordinary differential equations (ODE), which allowed us to transform post-vaccination immunological processes into mathematical formulas. These models were applied on in-house data from a de novo Hepatitis B vaccination trial. By accounting for inter- and intra-individual variability, our models provided good fits for both antigen-specific Tconv and Treg cells, overcoming the challenge of studying these complex processes. Our modeling approach provided a deeper understanding of the immunological processes underlying T cell development after vaccination. Specifically, our analysis revealed several important findings regarding the dynamics of Tconv and Treg cells, as well as their relationship to seropositivity for HSV-1 and EBV, and the dynamics of antibody response to vaccination. Firstly, our modeling indicated that Tconv dynamics suggest the existence of two T cell types, in contrast to Treg dynamics where only one T cell type is predicted. Secondly, we found that individuals who converted to a positive antibody response to the vaccine earlier had lower decay rates for both Tregs and Tconv cells, which may have important implications for the development of more effective vaccination strategies. Additionally, our modeling showed that HSV-1 seropositivity negatively influenced Tconv cell expansion after the second vaccination, while EBV seropositivity was associated with higher Treg expansion rates after vaccination. Overall, this study provides a critical foundation for understanding the dynamic processes underlying T cell development after vaccination.

Prior studies have identified genetic, infectious, and biological associations with immune competence and disease severity; however, there have been few integrative analyses of these factors and study populations are often limited in demographic diversity. Utilizing samples from 1,705 individuals in 5 countries, we examined putative determinants of immunity, including: single nucleotide polymorphisms, ancestry informative markers, herpesvirus status, age, and sex. In healthy subjects, we found significant differences in cytokine levels, leukocyte phenotypes, and gene expression. Transcriptional responses also varied by cohort, and the most significant determinant was ancestry. In influenza infected subjects, we found two disease severity immunophenotypes, largely driven by age. Additionally, cytokine regression models show each determinant differentially contributes to acute immune variation, with unique and interactive, location-specific herpesvirus effects. These results provide novel insight into the scope of immune heterogeneity across diverse populations, the integrative effects of factors which drive it, and the consequences for illness outcomes.

Abstract A better understanding of the bifurcation of human B cell differentiation into memory B cells (MBC) and antibody-secreting cells (ASC) and identification of MBC and ASC precursors is crucial to optimize vaccination strategies or block undesired antibody responses. To unravel the dynamics of antigen-induced B cell responses, we compared circulating B cells reactive to SARS-CoV-2 (Spike, RBD and Nucleocapsid) in COVID-19 convalescent individuals to B cells specific to Influenza-HA, RSV-F and TT, induced much longer ago. High-dimensional spectral flow cytometry indicated that the decision point between ASC- and MBC-formation lies in the CD43+CD71+IgG+ Activated B cell compartment, showing properties indicative of recent germinal center activity and recent antigen encounter. Within this Activated B cells compartment, CD86+ B cells exhibited close phenotypical similarity with ASC, while CD86− B cells were closely related to IgG+ MBCs. Additionally, different activation stages of the IgG+ MBC compartment could be further elucidated. The expression of CD73 and CD24, regulators of survival and cellular metabolic quiescence, discerned activated MBCs from resting MBCs. Activated MBCs (CD73-CD24lo) exhibited phenotypical similarities with CD86− IgG+ Activated B cells and were restricted to SARS-CoV-2 specificities, contrasting with the resting MBC compartment (CD73-/CD24hi) that exclusively encompassed antigen-specific B cells established long ago. Overall, these findings identify novel stages for IgG+ MBC and ASC formation and bring us closer in defining the decision point for MBC or ASC differentiation. Importance In this study, researchers aimed to better understand human B cell differentiation and their role in establishing long-lived humoral immunity. Using high-dimensional flow cytometry, they studied B cells reactive to three SARS-CoV-2 antigens in individuals convalescent for COVID-19, and compared their phenotypes to B cells reactive to three distinct protein antigens derived from vaccines or viruses encountered months to decades before. Their findings showed that Activated B cells reflect recent germinal center graduates that may have diverse fates; with some feeding the pool of antibody-secreting cells and others fueling the resting memory B cell compartment. Activated B cells gradually differentiate into resting memory B cells through an activated MBC phase. Increased expression of the cellular metabolic regulators CD73 and CD24 in resting memory B cells distinguishes them from the activated memory B cells phase, and is likely involved in sustaining a durable memory of humoral immunity. These findings are crucial for the development of vaccines that provide lifelong protection and may show potential to define reactive B cells in diseases where the cognate-antigen is still unknown such as in autoimmunity, cancers, or novel viral outbreaks.

Our study aims to investigate the dynamics of conventional memory T cells (Tconv) and regulatory memory T cells (Treg) following activation, and to explore potential differences between these two cell types. To achieve this, we developed advanced statistical mixed models based on mathematical models of ordinary differential equations (ODE), which allowed us to transform post-vaccination immunological processes into mathematical formulas. These models were applied to in-house data from a de novo Hepatitis B vaccination trial. By accounting for inter- and intra-individual variability, our models provided good fits for both antigen-specific Tconv and Treg cells, overcoming the challenge of studying these complex processes. Our modeling approach provided a deeper understanding of the immunological processes underlying T cell development after vaccination. Specifically, our analysis revealed several important findings regarding the dynamics of Tconv and Treg cells, as well as their relationship to seropositivity for Herpes Simplex Virus Type 1 (HSV-1) and Epstein-Barr Virus (EBV), and the dynamics of antibody response to vaccination. Firstly, our modeling indicated that Tconv dynamics suggest the existence of two T cell types, in contrast to Treg dynamics where only one T cell type is predicted. Secondly, we found that individuals who converted to a positive antibody response to the vaccine earlier had lower decay rates for both Tregs and Tconv cells, which may have important implications for the development of more effective vaccination strategies. Additionally, our modeling showed that HSV-1 seropositivity negatively influenced Tconv cell expansion after the second vaccination, while EBV seropositivity was associated with higher Treg expansion rates after vaccination. Overall, this study provides a critical foundation for understanding the dynamic processes underlying T cell development after vaccination.

ABSTRACT Differentiation of B cells into antibody-secreting cells (ASCs) is a key process to generate protective humoral immunity. A detailed understanding of the cues controlling ASC differentiation is important to devise strategies to modulate antibody formation. Here, we dissected differentiation trajectories of human naive B cells into ASCs using single-cell RNA sequencing. By comparing transcriptomes of B cells at different stages of differentiation from an in vitro model with ex vivo B cells and ASCs, we uncovered a novel pre-ASC population present ex vivo in lymphoid tissues. For the first time, a germinal-center-like population is identified in vitro from human naive B cells and possibly progresses into a memory B cell population through an alternative route of differentiation, thus recapitulating in vivo human GC reactions. Our work allows further detailed characterization of human B cell differentiation into ASCs or memory B cells in both healthy and diseased conditions.