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.

The diversity of T-cell receptors recognizing foreign pathogens is generated through a highly stochastic recombination process, making the independent production of the same sequence rare. Yet unrelated individuals do share receptors, which together constitute a “public” repertoire of abundant clonotypes. The TCR repertoire is initially formed prenatally, when the enzyme inserting random nucleotides is downregulated, producing a limited diversity subset. By statistically analyzing deep sequencing T-cell repertoire data from twins, unrelated individuals of various ages, and cord blood, we show that T-cell clones generated before birth persist and maintain high abundances in adult organisms for decades, slowly decaying with age. Our results suggest that large, low-diversity public clones are created during pregnancy, and survive over long periods, providing the basis of the public repertoire.

The diverse repertoire of T-cell receptors (TCR) plays a key role in the adaptive immune response to infections. Previous studies show that secondary responses to the yellow fever vaccine - the model for acute infection in humans - are weaker than primary ones, but only quantitative measurements can describe the concentration changes and lineage fates for distinct T-cell clones in vivo over time. Using TCR alpha and beta repertoire sequencing for T-cell subsets, as well as single-cell RNAseq and TCRseq, we track the concentrations and phenotypes of individual T-cell clones in response to primary and secondary yellow fever immunization showing their large diversity. We confirm the secondary response is an order of magnitude weaker, albeit ~10 days faster than the primary one. Estimating the fraction of the T-cell response directed against the single immunodominant epitope, we identify the sequence features of TCRs that define the high precursor frequency of the two major TCR motifs specific for this particular epitope. We also show the consistency of clonal expansion dynamics between bulk alpha and beta repertoires, using a new methodology to reconstruct alpha-beta pairings from clonal trajectories.

Hypervariable T-cell receptors (TCR) play a key role in adaptive immunity, recognising a vast diversity of pathogen-derived antigens. High throughput sequencing of TCR repertoires (RepSeq) produces huge datasets of T-cell receptor sequences from blood and tissue samples. However, our ability to extract clinically relevant information from RepSeq data is limited, mainly because little is known about TCR-disease associations. Here we present a statistical approach called ALICE (Antigen-specific Lymphocyte Identification by Clustering of Expanded sequences) that identifies TCR sequences that are actively involved in the current immune response from a single RepSeq sample, and apply it to repertoires of patients with a variety of disorders - autoimmune disease (ankylosing spondylitis), patients under cancer immunotherapy, or subject to an acute infection (live yellow fever vaccine). The methods robustness is demonstrated by the agreement of its predictions with independent assays, and is supported by its ability to selectively detect responding TCR in the memory but not in the naïve subset. ALICE requires no longitudinal data collection nor large cohorts, and is thus directly applicable to most RepSeq datasets. Its results facilitate the identification of TCR variants associated with a wide variety of diseases and conditions, which can be used for diagnostics, rational vaccine design and evaluation of the adaptive immune system state.

Abstract T-cell receptor (TCR) diversity is generated by VDJ recombination. The classical course of TCR beta (TRB) chain production starts with D and J segment recombination and finishes with subsequent recombination between the resulting DJ junction and V segment. In this study, we performed deep sequencing of poorly explored incomplete TRBD1 to TRBD2 rearrangements in T-cell genomic DNA. We reconstructed full repertoires of human incomplete TRB DD rearrangements and validated its authenticity by detecting excision circles with RSS (recombination signal sequence) junctions for the first time. The identified rearrangements generated in compliance with the classical 12/23 rule are common for humans, rats, and mice and contain typical VDJ recombination footprints. Detected bimodal distribution of DD junctions indicates two active recombination sites producing long and short DD rearrangements. Unlike long DD rearrangements, the short ones have unusual origin resulting from non-canonical intrachromosomal RSSs’ junctions formation. Identified DD rearrangements lead to deleting J1 and C1 segments and creating diverse hybrid D segments, which recombine further with J2 and V segments. Resulting functional TRB VDDJ rearrangements are present in the memory T-cells subset proving its participation in antigen recognition.

T-cell receptor (TCR) repertoire data contain information about infections that could be used in disease diagnostics and vaccine development, but extracting that information remains a major challenge. Here we developed a statistical framework to detect TCR clone proliferation and contraction from longitudinal repertoire data. We applied this framework to data from three pairs of identical twins immunized with the yellow fever vaccine. We identified 500-1500 responding TCRs in each donor and validated them using three independent assays. While the responding TCRs were mostly private, albeit with higher overlap between twins, they could be well predicted using a classifier based on sequence similarity. Our method can also be applied to samples obtained post-infection, making it suitable for systematic discovery of new infection-specific TCRs in the clinic.