COVID-19 is a global pandemic caused by the SARS-CoV-2 coronavirus. T cells play a key role in the adaptive antiviral immune response by killing infected cells and facilitating the selection of virus-specific antibodies. However neither the dynamics and cross-reactivity of the SARS-CoV-2-specific T cell response nor the diversity of resulting immune memory are well understood. In this study we use longitudinal high-throughput T cell receptor (TCR) sequencing to track changes in the T cell repertoire following two mild cases of COVID-19. In both donors we identified CD4+ and CD8+ T cell clones with transient clonal expansion after infection. The antigen specificity of CD8+ TCR sequences to SARS-CoV-2 epitopes was confirmed by both MHC tetramer binding and presence in large database of SARS-CoV-2 epitope-specific TCRs. We describe characteristic motifs in TCR sequences of COVID-19-reactive clones and show preferential occurence of these motifs in publicly available large dataset of repertoires from COVID-19 patients. We show that in both donors the majority of infection-reactive clonotypes acquire memory phenotypes. Certain T cell clones were detected in the memory fraction at the pre-infection timepoint, suggesting participation of pre-existing cross-reactive memory T cells in the immune response to SARS-CoV-2.

Abstract Since multiple different T-cell receptor (TCR) sequences can bind to the same peptide-MHC combination and the number of TCR-sequences that can theoretically be generated even exceeds the number of T cells in a human body, the likelihood that many public identical (PUB-I) TCR-sequences frequently contribute to immune responses has been estimated to be low. Here, we quantitatively analyzed the TCR-repertoires of 190 purified virus-specific memory T-cell populations, directed against 21 antigens of Cytomegalovirus, Epstein-Barr virus and Adenovirus isolated from 29 healthy individuals, and determined the magnitude, defined as prevalence within the population and frequencies within individuals, of PUB-I TCR and of TCR-sequences that are highly-similar (PUB-HS) to these PUB-I TCR-sequences. We found that almost one third of all TCR nucleotide-sequences represented PUB-I TCR amino-acid (AA) sequences and found an additional 12% of PUB-HS TCRs differing by maximally 3 AAs. We illustrate that these PUB-I and PUB-HS TCRs were structurally related and contained shared core-sequences in their TCR-sequences. We found a prevalence of PUB-I and PUB-HS TCRs of up to 50% among individuals and showed frequencies of virus-specific PUB-I and PUB-HS TCRs making up more than 10% of each virus-specific T-cell population. These findings were confirmed by using an independent TCR-database of virus-specific TCRs. We therefore conclude that the magnitude of the contribution of PUB-I and PUB-HS TCRs to these virus-specific T-cell responses is high. Because the T cells from these virus-specific memory TCR-repertoires were the result of successful control of the virus in these healthy individuals, these PUB-HS TCRs and PUB-I TCRs may be attractive candidates for immunotherapy in immunocompromised patients that lack virus-specific T cells to control viral reactivation. Significance statement Public T-cell responses, in which T cells expressing the same T-cell receptor (TCR) are found in different individuals, have been described. However, the magnitude of the contribution of these TCRs to immune responses, defined as prevalence within the population and frequencies within individuals, is not known. In this study we characterized and quantified public T-cell responses within virus-specific memory T cells of healthy individuals by determining identical and highly-similar TCRs recognizing the same antigen and sharing conserved CDR3 motifs. The magnitude of public T-cell responses was surprisingly high and we argue that these dominant TCRs with shared core-sequences could be utilized for diagnostic purposes and may provide attractive TCRs to be used for immunotherapy in immunocompromised patients.

Abstract T cells play a vital role in combatting SARS-CoV-2 and in forming long-term memory responses. Whereas extensive structural information is available on neutralizing antibodies against SARS-CoV-2, such information on SARS-CoV-2-specific T cell receptors (TCRs) bound to their peptide–MHC targets is lacking. We determined structures of a public and a private TCR from COVID-19 convalescent patients in complex with HLA-A2 and two SARS-CoV-2 spike protein epitopes (YLQ and RLQ). The structures revealed the basis for selection of particular TRAV and TRBV germline genes by the public but not the private TCR, and for the ability of both TCRs to recognize natural variants of YLQ and RLQ but not homologous epitopes from human seasonal coronaviruses. By elucidating the mechanism for TCR recognition of an immunodominant yet variable epitope (YLQ) and a conserved but less commonly targeted epitope (RLQ), this study can inform prospective efforts to design vaccines to elicit pan-coronavirus immunity.