Activated T cells engage aerobic glycolysis and anabolic metabolism for growth, proliferation, and effector functions. We propose that a glucose-poor tumor microenvironment limits aerobic glycolysis in tumor-infiltrating T cells, which suppresses tumoricidal effector functions. We discovered a new role for the glycolytic metabolite phosphoenolpyruvate (PEP) in sustaining T cell receptor-mediated Ca2+-NFAT signaling and effector functions by repressing sarco/ER Ca2+-ATPase (SERCA) activity. Tumor-specific CD4 and CD8 T cells could be metabolically reprogrammed by increasing PEP production through overexpression of phosphoenolpyruvate carboxykinase 1 (PCK1), which bolstered effector functions. Moreover, PCK1-overexpressing T cells restricted tumor growth and prolonged the survival of melanoma-bearing mice. This study uncovers new metabolic checkpoints for T cell activity and demonstrates that metabolic reprogramming of tumor-reactive T cells can enhance anti-tumor T cell responses, illuminating new forms of immunotherapy.

Abstract Summary: Advances in high-throughput sequencing technologies now allow for large-scale characterization of B cell immunoglobulin (Ig) repertoires. The high germline and somatic diversity of the Ig repertoire presents challenges for biologically meaningful analysis, which requires specialized computational methods. We have developed a suite of utilities, Change-O, which provides tools for advanced analyses of large-scale Ig repertoire sequencing data. Change-O includes tools for determining the complete set of Ig variable region gene segment alleles carried by an individual (including novel alleles), partitioning of Ig sequences into clonal populations, creating lineage trees, inferring somatic hypermutation targeting models, measuring repertoire diversity, quantifying selection pressure, and calculating sequence chemical properties. All Change-O tools utilize a common data format, which enables the seamless integration of multiple analyses into a single workflow. Availability and implementation: Change-O is freely available for non-commercial use and may be downloaded from http://clip.med.yale.edu/changeo. Contact: steven.kleinstein@yale.edu

We identify the interfollicular (IF) zone as the site where germinal center B cell and T follicular helper (Tfh) cell differentiation initiates. For the first 2 days postimmunization, antigen-specific T and B cells remained confined within the IF zone, formed long-lived interactions, and upregulated the transcriptional repressor Bcl6. T cells also acquired the Tfh cell markers CXCR5, PD-1, and GL7. Responding B and T cells migrated to the follicle interior directly from the IF zone, T cell immigration preceding B cells by 1 day. Notably, in the absence of cognate B cells, Tfh cells still formed and migrated to the follicle. However, without such B cells, PD-1, ICOS, and GL7 were no longer expressed on follicular Bcl6hi T cells that nevertheless persisted in the follicle. Thus, Ag-specific B cells are required for the maintenance of the PD-1hiICOShiGL7hi Tfh cell phenotype within the follicle, but not for their initial differentiation in the IF zone.

Abstract Summary: Driven by dramatic technological improvements, large-scale characterization of lymphocyte receptor repertoires via high-throughput sequencing is now feasible. Although promising, the high germline and somatic diversity, especially of B-cell immunoglobulin repertoires, presents challenges for analysis requiring the development of specialized computational pipelines. We developed the REpertoire Sequencing TOolkit (pRESTO) for processing reads from high-throughput lymphocyte receptor studies. pRESTO processes raw sequences to produce error-corrected, sorted and annotated sequence sets, along with a wealth of metrics at each step. The toolkit supports multiplexed primer pools, single- or paired-end reads and emerging technologies that use single-molecule identifiers. pRESTO has been tested on data generated from Roche and Illumina platforms. It has a built-in capacity to parallelize the work between available processors and is able to efficiently process millions of sequences generated by typical high-throughput projects. Availability and implementation: pRESTO is freely available for academic use. The software package and detailed tutorials may be downloaded from http://clip.med.yale.edu/presto . Contact: steven.kleinstein@yale.edu Supplementary information: Supplementary data are available at Bioinformatics online.

In multiple sclerosis patients, B cells mature in the draining cervical lymph nodes before trafficking across the blood-brain barrier.

Prior antigenic exposure induces cognate memory responses in B cells. Shlomchik and colleagues show that CD80 and PD-L2 define functionally distinct memory B cells. Memory B cells (MBCs) are long-lived sources of rapid, isotype-switched secondary antibody-forming cell (AFC) responses. Whether MBCs homogeneously retain the ability to self-renew and terminally differentiate or if these functions are compartmentalized into MBC subsets has remained unclear. It has been suggested that antibody isotype controls MBC differentiation upon restimulation. Here we demonstrate that subcategorizing MBCs on the basis of their expression of CD80 and PD-L2, independently of isotype, identified MBC subsets with distinct functions upon rechallenge. CD80+PD-L2+ MBCs differentiated rapidly into AFCs but did not generate germinal centers (GCs); conversely, CD80−PD-L2− MBCs generated few early AFCs but robustly seeded GCs. The gene-expression patterns of the subsets supported both the identity and function of these distinct MBC types. Hence, the differentiation and regeneration of MBCs are compartmentalized.

One third of COVID-19 patients develop significant neurological symptoms, yet SARS-CoV-2 is rarely detected in central nervous system (CNS) tissue, suggesting a potential role for parainfectious processes, including neuroimmune responses. We therefore examined immune parameters in cerebrospinal fluid (CSF) and blood samples from a cohort of patients with COVID-19 and significant neurological complications. We found divergent immunological responses in the CNS compartment, including increased levels of IL-12 and IL-12-associated innate and adaptive immune cell activation. Moreover, we found increased proportions of B cells in the CSF relative to the periphery and evidence of clonal expansion of CSF B cells, suggesting a divergent intrathecal humoral response to SARS-CoV-2. Indeed, all COVID-19 cases examined had anti-SARS-CoV-2 IgG antibodies in the CSF whose target epitopes diverged from serum antibodies. We directly examined whether CSF resident antibodies target self-antigens and found a significant burden of CNS autoimmunity, with the CSF from most patients recognizing neural self-antigens. Finally, we produced a panel of monoclonal antibodies from patients' CSF and show that these target both anti-viral and anti-neural antigens-including one mAb specific for the spike protein that also recognizes neural tissue. This exploratory immune survey reveals evidence of a compartmentalized and self-reactive immune response in the CNS meriting a more systematic evaluation of neurologically impaired COVID-19 patients.

Abstract B cells undergo rapid mutation and selection for antibody binding affinity when producing antibodies capable of neutralizing pathogens. This evolutionary process can be intermixed with migration between tissues, differentiation between cellular subsets, and switching between functional isotypes. B cell receptor (BCR) sequence data has the potential to elucidate important information about these processes. However, there is currently no robust, generalizable framework for making such inferences from BCR sequence data. To address this, we develop three parsimony-based summary statistics to characterize migration, differentiation, and isotype switching along B cell phylogenetic trees. We use simulations to demonstrate the effectiveness of this approach. We then use this framework to infer patterns of cellular differentiation and isotype switching from high throughput BCR sequence datasets obtained from patients in a study of HIV infection and a study of food allergy. These methods are implemented in the R package dowser , available at https://bitbucket.org/kleinstein/dowser . Author summary B cells produce high affinity antibodies through an evolutionary process of mutation and selection during adaptive immune responses. Migration between tissues, differentiation to cellular subtypes, and switching between different antibody isotypes can be important factors in shaping the role B cells play in response to infection, autoimmune disease, and allergies. B cell receptor (BCR) sequence data has the potential to elucidate important information about these processes. However, there is currently no robust, generalizable framework for making such inferences from BCR sequence data. Here, we develop three parsimony-based summary statistics to characterize migration, differentiation, and isotype switching along B cell phylogenetic trees. Using simulations, we confirm the effectiveness of our approach, as well as identify some caveats. We further use these summary statistics to investigate patterns of cellular differentiation in three HIV patients, and patterns of isotype switching in an individual with food allergies. Our methods are released in the R package dowser : https://bitbucket.org/kleinstein/dowser .

Abstract Rituximab, a B cell-depleting therapy, is indicated for treating a growing number of autoantibody-mediated autoimmune disorders. However, relapses can occur after treatment and autoantibody-producing B cell subsets may be found during relapses. It is not understood if these autoantibody-producing B cell subsets emerge from the failed depletion of pre-existing B cells or are re-generated de novo . To further define the mechanisms that cause post-rituximab relapse, we studied patients with autoantibody-mediated muscle-specific kinase (MuSK) myasthenia gravis (MG) who relapsed after treatment. We carried out single-cell transcriptional and B cell receptor (BCR) profiling on longitudinal B cell samples. We identified clones present prior to therapy that continued to persist during relapse. Persistent B cell clones included both antibody-secreting cells and memory B cells characterized by gene expression signatures associated with B cell survival. A subset of persistent antibody-secreting cells and memory B cells were specific for the MuSK autoantigen. These results demonstrate that rituximab is not fully effective at eliminating autoantibody-producing B cells and provide a mechanistic understanding of post-rituximab relapse in MuSK MG.