The vertebrate adaptive immune system modifies the genome of individual B cells to encode antibodies binding particular antigens 1 . In most mammals, antibodies are composed of a heavy and a light chain which are sequentially generated by recombination of V, D (for heavy chains), J, and C gene segments. Each chain contains three complementarity-determining regions (CDR1-3), contributing to antigen specificity. Certain heavy and light chains are preferred for particular antigens 2–21 . We considered pairs of B cells sharing the same heavy chain V gene and CDRH3 amino acid sequence and isolated from different donors, also known as public clonotypes 22,23 . We show that for naive antibodies (not yet adapted to antigens), the probability that they use the same light chain V gene is ∼10%, whereas for memory (functional) antibodies it is ∼80%. This property of functional antibodies is a phenomenon we call light chain coherence . We also observe it when similar heavy chains recur within a donor. Thus, though naive antibodies appear to recur by chance, the recurrence of functional antibodies reveals surprising constraint and determinism in the processes of V(D)J recombination and immune selection. For most functional antibodies, the heavy chain determines the light chain.

Abstract Half a billion years of evolutionary battle forged the vertebrate adaptive immune system, an astonishingly versatile factory for molecules that can adapt to arbitrary attacks. The history of an individual encounter is chronicled within a clonotype: the descendants of a single fully rearranged adaptive immune cell. For B cells, reading this immune history for an individual remains a fundamental challenge of modern immunology. Identification of such clonotypes is a magnificently challenging problem for three reasons: The cell history is inferred rather than directly observed : the only available data are the sequences of V(D)J molecules occurring in a sample of cells. Each immune receptor is a pair of V(D)J molecules . Identifying these pairs at scale is a technological challenge and cannot be done with perfect accuracy—real samples are mixtures of cells and fragments thereof. These molecules can be intensely mutated during the optimization of the response to particular antigens, blurring distinctions between kindred molecules. It is thus impossible to determine clonotypes exactly. All solutions to this problem make a trade-off between sensitivity and specificity; useful solutions must address actual artifacts found in real data. We present enclone 1 , a system for computing approximate clonotypes from single cell data, and demonstrate its use and value with the 10x Genomics Immune Profiling Solution. To test it, we generate data for 1.6 million individual B cells, from four humans, including deliberately enriched memory cells, to tax the algorithm and provide a resource for the community. We analytically determine the specificity of enclone ’s clonotyping algorithm, showing that on this dataset the probability of co-clonotyping two unrelated B cells is around 10 −9 . We prove that using only heavy chains increases the error rate by two orders of magnitude. enclone comprises a comprehensive toolkit for the analysis and display of immune receptor data. It is ultra-fast, easy to install, has public source code, comes with public data, and is documented at bit.ly/enclone . It has three “flavors” of use: (1) as a command-line tool run from a terminal window, that yields visual output; (2) as a command-line tool that yields parseable output that can be fed to other programs; and (3) as a graphical version (GUI).

The development of vaccines and therapeutics that are broadly effective against known and emergent coronaviruses is an urgent priority. We screened the circulating B cell repertoires of COVID-19 survivors and vaccinees to isolate over 9,000 severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2)-specific monoclonal antibodies (mAbs), providing an expansive view of the SARS-CoV-2-specific Ab repertoire. Among the recovered antibodies was TXG-0078, an N-terminal domain (NTD)-specific neutralizing mAb that recognizes diverse alpha- and beta-coronaviruses. TXG-0078 achieves its exceptional binding breadth while utilizing the same VH1-24 variable gene signature and heavy-chain-dominant binding pattern seen in other NTD-supersite-specific neutralizing Abs with much narrower specificity. We also report CC24.2, a pan-sarbecovirus neutralizing antibody that targets a unique receptor-binding domain (RBD) epitope and shows similar neutralization potency against all tested SARS-CoV-2 variants, including BQ.1.1 and XBB.1.5. A cocktail of TXG-0078 and CC24.2 shows protection in vivo, suggesting their potential use in variant-resistant therapeutic Ab cocktails and as templates for pan-coronavirus vaccine design.

Summary Development of vaccines and therapeutics that are broadly effective against known and emergent coronaviruses is an urgent priority. Current strategies for developing pan-coronavirus countermeasures have largely focused on the receptor binding domain ( RBD ) and S2 regions of the coronavirus Spike protein; it has been unclear whether the N-terminal domain ( NTD ) is a viable target for universal vaccines and broadly neutralizing antibodies ( Abs ). Additionally, many RBD-targeting Abs have proven susceptible to viral escape. We screened the circulating B cell repertoires of COVID-19 survivors and vaccinees using multiplexed panels of uniquely barcoded antigens in a high-throughput single cell workflow to isolate over 9,000 SARS-CoV-2-specific monoclonal Abs ( mAbs ), providing an expansive view of the SARS-CoV-2-specific Ab repertoire. We observed many instances of clonal coalescence between individuals, suggesting that Ab responses frequently converge independently on similar genetic solutions. Among the recovered antibodies was TXG-0078, a public neutralizing mAb that binds the NTD supersite region of the coronavirus Spike protein and recognizes a diverse collection of alpha- and beta-coronaviruses. TXG-0078 achieves its exceptional binding breadth while utilizing the same VH1-24 variable gene signature and heavy chain-dominant binding pattern seen in other NTD supersite-specific neutralizing Abs with much narrower specificity. We also report the discovery of CC24.2, a pan-sarbecovirus neutralizing mAb that targets a novel RBD epitope and shows similar neutralization potency against all tested SARS-CoV-2 variants, including BQ.1.1 and XBB.1.5. A cocktail of TXG-0078 and CC24.2 provides protection against in vivo challenge with SARS-CoV-2, suggesting potential future use in variant-resistant therapeutic Ab cocktails and as templates for pan-coronavirus vaccine design.

Summary Physical forces regulate stem cell differentiation in-vivo, however few simple and precise methods exist to better understand this biology in-vitro. Here we describe the use of a novel bioreactor that enables addition of physical force in the form of elevated atmospheric pressure during reprogramming of human fibroblasts and culture of human induced pluripotent stem cell (iPSC) and neural stem cell (NSC) lines. We demonstrate that elevated atmospheric pressure and hypoxia can positively regulate reprogramming of human fibroblasts to iPSCs across multiple donors. Prolonged culture of iPSCs in elevated atmospheric pressure (+ 2 PSI) and 15% oxygen exhibited progressive differentiation with concomitant metabolic and epigenetic gene expression changes. Furthermore, elevated atmospheric pressure positively regulates differentiation of iPSCs to neural-ectodermal and hematopoietic lineages when combined with appropriate soluble factors and oxygen concentration. In summary, these results demonstrate the significance of applied atmospheric pressure for stem cell applications and warrants further investigation.