ABSTRACT Convalescing COVID-19 patients mount robust T cell responses against SARS-CoV-2, suggesting an important role for T cells in viral clearance. To date, the phenotypes of SARS-CoV-2-specific T cells remain poorly defined. Using 38-parameter CyTOF, we phenotyped longitudinal specimens of SARS-CoV-2-specific CD4+ and CD8+ T cells from nine individuals who recovered from mild COVID-19. SARS-CoV-2-specific CD4+ T cells were exclusively Th1 cells, and predominantly Tcm with phenotypic features of robust helper function. SARS-CoV-2-specific CD8+ T cells were predominantly Temra cells in a state of less terminal differentiation than most Temra cells. Subsets of SARS-CoV-2-specific T cells express CD127, can homeostatically proliferate, and can persist for over two months. Our results suggest that long-lived and robust T cell immunity is generated following natural SARS-CoV-2 infection, and support an important role for SARS-CoV-2-specific T cells in host control of COVID-19.

While mRNA vaccines are proving highly efficacious against SARS-CoV-2, it is important to determine how booster doses and prior infection influence the immune defense they elicit, and whether they protect against variants. Focusing on the T cell response, we conducted a longitudinal study of infection-naïve and COVID-19 convalescent donors before vaccination and after their first and second vaccine doses, using a high-parameter CyTOF analysis to phenotype their SARS-CoV-2-specific T cells. Vaccine-elicited spike-specific T cells responded similarly to stimulation by spike epitopes from the ancestral, B.1.1.7 and B.1.351 variant strains, both in terms of cell numbers and phenotypes. In infection-naïve individuals, the second dose boosted the quantity and altered the phenotypic properties of SARS-CoV-2-specific T cells, while in convalescents the second dose changed neither. Spike-specific T cells from convalescent vaccinees differed strikingly from those of infection-naïve vaccinees, with phenotypic features suggesting superior long-term persistence and ability to home to the respiratory tract including the nasopharynx. These results provide reassurance that vaccine-elicited T cells respond robustly to emerging viral variants, confirm that convalescents may not need a second vaccine dose, and suggest that vaccinated convalescents may have more persistent nasopharynx-homing SARS-CoV-2-specific T cells compared to their infection-naïve counterparts.

ABSTRACT CD8+ T cells are important antiviral effectors that can potentiate long-lived immunity against COVID-19, but a detailed characterization of these cells has been hampered by technical challenges. We screened 21 well-characterized, longitudinally-sampled convalescent donors that recovered from mild COVID-19 against a collection of SARS-CoV-2 tetramers, and identified one participant with an immunodominant response against Nuc 322-331 , a peptide that is conserved in all the SARS-CoV-2 variants-of-concern reported to date. We conducted 38- parameter CyTOF phenotyping on tetramer-identified Nuc 322-331 -specific CD8+ T cells, and on CD4+ and CD8+ T cells recognizing the entire nucleocapsid and spike proteins from SARS- CoV-2, and took 32 serological measurements on longitudinal specimens from this participant. We discovered a coordination of the Nuc 322-331 -specific CD8+ T response with both the CD4+ T cell and antibody pillars of adaptive immunity. Nuc 322-331 -specific CD8+ T cells were predominantly central memory T cells, but continually evolved over a ∼6-month period of convalescence. We observed a slow and progressive decrease in the activation state and polyfunctionality of the Nuc 322-331 -specific CD8+ T cells, accompanied by an increase in their lymph-node homing and homeostatic proliferation potential. These results suggest that following a typical case of mild COVID-19, SARS-CoV-2-specific CD8+ T cells not only persist but continuously differentiate in a coordinated fashion well into convalescence, into a state characteristic of long-lived, self-renewing memory.

Single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) provides high-dimensional measurement of transcript counts in individual cells. However, high assay costs limit the study of large numbers of samples. Sample multiplexing technologies such as antibody hashing and MULTI-seq use sample-specific sequence tags to enable individual samples (e.g., different patients) to be sequenced in a pooled format before downstream computational demultiplexing. Critically, no study to date has evaluated whether the mixing of samples from different donors in this manner results in significant changes in gene expression resulting from alloreactivity (i.e., response to non-self immune antigens). The ability to demonstrate minimal to no alloreactivity is crucial to avoid confounded data analyses, particularly for cross-sectional studies evaluating changes in immunologic gene signatures,. Here, we compared the expression profiles of peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) from a single donor with and without pooling with PBMCs isolated from other donors with different blood types. We find that there was no evidence of alloreactivity in the multiplexed samples following three distinct multiplexing workflows (antibody hashing, MULTI-seq, and in silico genotyping using souporcell). Moreover, we identified biases amongst antibody hashing sample classification results in this particular experimental system, as well as gene expression signatures linked to PBMC preparation method (e.g., Ficoll-Paque density gradient centrifugation with or without apheresis using Trima filtration).

ABSTRACT High-parameter single-cell phenotyping has enabled in-depth classification and interrogation of immune cells, but to date has not allowed for glycan characterization. Here, we develop CyTOF-Lec as an approach to simultaneously characterize many protein and glycan features of human immune cells at the single-cell level. We implemented CyTOF-Lec to compare glycan features between different immune subsets from blood and multiple tissue compartments, and to characterize HIV-infected cell cultures. Using bioinformatics approaches to distinguish preferential infection of cellular subsets from viral-induced remodeling, we demonstrate that HIV upregulates the levels of cell surface fucose and sialic acid in a cell- intrinsic manner, and that memory CD4+ T cells co-expressing high levels of fucose and sialic acid are highly susceptible to HIV infection. Sialic acid levels were found to distinguish memory CD4+ T cell subsets expressing different amounts of viral entry receptors, pro-survival factors, homing receptors, and activation markers, and to play a direct role in memory CD4+ T cells’ susceptibility to HIV infection. The ability of sialic acid to distinguish memory CD4+ T cells with different susceptibilities to HIV infection was experimentally validated through sorting experiments. Together, these results suggest that HIV remodels not only cellular proteins but also glycans, and that glycan expression can differentiate memory CD4+ T cells with vastly different susceptibility to HIV infection.

ABSTRACT The latent reservoir is a main barrier for curing HIV. But because latently-infected cells cannot be phenotyped directly, the features of the in vivo reservoir have remained elusive. Here, we describe a method that leverages high-dimensional phenotyping using CyTOF to trace latently-infected cells reactivated ex vivo to their original pre-activation states. Our results suggest that contrary to common assumptions, the reservoir is not randomly distributed among cell subsets, and is remarkably conserved between individuals. However, reservoir composition differs between tissues and blood, as do cells successfully reactivated by different latency reversing agents. Most importantly, by selecting 8-10 of our 39 original CyTOF markers, we were able to isolate highly purified populations of unstimulated in vivo latent cells, thereby validating the PP-SLIDE approach for reservoir characterization. These purified populations were highly enriched for replication-competent and intact provirus, transcribed HIV, and displayed clonal expansion. The ability to isolate unstimulated latent cells from infected individuals enables previously impossible studies of HIV persistence.