T cells are a critical component of the response to SARS-CoV-2, but their kinetics after infection and vaccination are insufficiently understood. Using "spheromer" peptide-MHC multimer reagents, we analyzed healthy subjects receiving two doses of the Pfizer/BioNTech BNT162b2 vaccine. Vaccination resulted in robust spike-specific T cell responses for the dominant CD4+ (HLA-DRB1∗15:01/S191) and CD8+ (HLA-A∗02/S691) T cell epitopes. Antigen-specific CD4+ and CD8+ T cell responses were asynchronous, with the peak CD4+ T cell responses occurring 1 week post the second vaccination (boost), whereas CD8+ T cells peaked 2 weeks later. These peripheral T cell responses were elevated compared with COVID-19 patients. We also found that previous SARS-CoV-2 infection resulted in decreased CD8+ T cell activation and expansion, suggesting that previous infection can influence the T cell response to vaccination.

Abstract Clinical diagnoses rely on a wide variety of laboratory tests and imaging studies, interpreted alongside physical examination findings and the patient’s history and symptoms. Currently, the tools of diagnosis make limited use of the immune system’s internal record of specific disease exposures encoded by the antigen-specific receptors of memory B cells and T cells, and there has been little integration of the combined information from B cell and T cell receptor sequences. Here, we analyze extensive receptor sequence datasets with three different machine learning representations of immune receptor repertoires to develop an interpretive framework, MAchine Learning for Immunological Diagnosis (Mal-ID) , that screens for multiple illnesses simultaneously. This approach is effective in identifying a variety of disease states, including acute and chronic infections and autoimmune disorders. It is able to do so even when there are other differences present in the immune repertoires, such as between pediatric or adult patient groups. Importantly, many features of the model of immune receptor sequences are human-interpretable. They independently recapitulate known biology of the responses to infection by SARS-CoV-2 and HIV, provide evidence of receptor antigen specificity, and reveal common features of autoreactive immune receptor repertoires, indicating that machine learning on immune repertoires can yield new immunological knowledge. This framework could be useful in identifying immune responses to new infectious diseases as they emerge.

Abstract Vaccination and infection promote the formation, tissue distribution, and clonal evolution of B cells encoding humoral immune memory. We evaluated convergent antigen-specific antibody genes of similar sequences shared between individuals in pediatric and adult blood, and deceased organ donor tissues. B cell memory varied for different pathogens. Polysaccharide antigen-specific clones were not exclusive to the spleen. Adults’ convergent clones often express mutated IgM or IgD in blood and are class-switched in lymphoid tissues; in contrast, children have abundant class-switched convergent clones in blood. Consistent with serological reports, pre-pandemic children had class-switched convergent clones to SARS-CoV-2, enriched in cross-reactive clones for seasonal coronaviruses, while adults showed few such clones in blood or lymphoid tissues. These results extend age-related and anatomical mapping of human humoral pathogen-specific immunity. One Sentence Summary Children have elevated frequencies of pathogen-specific class-switched memory B cells, including SARS-CoV-2-binding clones.

SUMMARY During virus infection B cells are critical for the production of antibodies and protective immunity. Here we show that the human B cell compartment in patients with diagnostically confirmed SARS-CoV-2 and clinical COVID-19 is rapidly altered with the early recruitment of B cells expressing a limited subset of IGHV genes, progressing to a highly polyclonal response of B cells with broader IGHV gene usage and extensive class switching to IgG and IgA subclasses with limited somatic hypermutation in the initial weeks of infection. We identify extensive convergence of antibody sequences across SARS-CoV-2 patients, highlighting stereotyped naïve responses to this virus. Notably, sequence-based detection in COVID-19 patients of convergent B cell clonotypes previously reported in SARS-CoV infection predicts the presence of SARS-CoV/SARS-CoV-2 cross-reactive antibody titers specific for the receptor-binding domain. These findings offer molecular insights into shared features of human B cell responses to SARS-CoV-2 and other zoonotic spillover coronaviruses.