Abstract Patients with autoimmune polyendocrinopathy syndrome type 1 (APS-1) caused by autosomal recessive AIRE deficiency produce autoantibodies that neutralize type I interferons (IFNs) 1,2 , conferring a predisposition to life-threatening COVID-19 pneumonia 3 . Here we report that patients with autosomal recessive NIK or RELB deficiency, or a specific type of autosomal-dominant NF-κB2 deficiency, also have neutralizing autoantibodies against type I IFNs and are at higher risk of getting life-threatening COVID-19 pneumonia. In patients with autosomal-dominant NF-κB2 deficiency, these autoantibodies are found only in individuals who are heterozygous for variants associated with both transcription (p52 activity) loss of function (LOF) due to impaired p100 processing to generate p52, and regulatory (IκBδ activity) gain of function (GOF) due to the accumulation of unprocessed p100, therefore increasing the inhibitory activity of IκBδ (hereafter, p52 LOF /IκBδ GOF ). By contrast, neutralizing autoantibodies against type I IFNs are not found in individuals who are heterozygous for NFKB2 variants causing haploinsufficiency of p100 and p52 (hereafter, p52 LOF /IκBδ LOF ) or gain-of-function of p52 (hereafter, p52 GOF /IκBδ LOF ). In contrast to patients with APS-1, patients with disorders of NIK, RELB or NF-κB2 have very few tissue-specific autoantibodies. However, their thymuses have an abnormal structure, with few AIRE-expressing medullary thymic epithelial cells. Human inborn errors of the alternative NF-κB pathway impair the development of AIRE-expressing medullary thymic epithelial cells, thereby underlying the production of autoantibodies against type I IFNs and predisposition to viral diseases.

Individuals differ widely in their immune responses, with age, sex and genetic factors having major roles in this inherent variability1-6. However, the variables that drive such differences in cytokine secretion-a crucial component of the host response to immune challenges-remain poorly defined. Here we investigated 136 variables and identified smoking, cytomegalovirus latent infection and body mass index as major contributors to variability in cytokine response, with effects of comparable magnitudes with age, sex and genetics. We find that smoking influences both innate and adaptive immune responses. Notably, its effect on innate responses is quickly lost after smoking cessation and is specifically associated with plasma levels of CEACAM6, whereas its effect on adaptive responses persists long after individuals quit smoking and is associated with epigenetic memory. This is supported by the association of the past smoking effect on cytokine responses with DNA methylation at specific signal trans-activators and regulators of metabolism. Our findings identify three novel variables associated with cytokine secretion variability and reveal roles for smoking in the short- and long-term regulation of immune responses. These results have potential clinical implications for the risk of developing infections, cancers or autoimmune diseases.

Humans display substantial interindividual clinical variability after SARS-CoV-2 infection1-3, the genetic and immunological basis of which has begun to be deciphered4. However, the extent and drivers of population differences in immune responses to SARS-CoV-2 remain unclear. Here we report single-cell RNA-sequencing data for peripheral blood mononuclear cells-from 222 healthy donors of diverse ancestries-that were stimulated with SARS-CoV-2 or influenza A virus. We show that SARS-CoV-2 induces weaker, but more heterogeneous, interferon-stimulated gene activity compared with influenza A virus, and a unique pro-inflammatory signature in myeloid cells. Transcriptional responses to viruses display marked population differences, primarily driven by changes in cell abundance including increased lymphoid differentiation associated with latent cytomegalovirus infection. Expression quantitative trait loci and mediation analyses reveal a broad effect of cell composition on population disparities in immune responses, with genetic variants exerting a strong effect on specific loci. Furthermore, we show that natural selection has increased population differences in immune responses, particularly for variants associated with SARS-CoV-2 response in East Asians, and document the cellular and molecular mechanisms by which Neanderthal introgression has altered immune functions, such as the response of myeloid cells to viruses. Finally, colocalization and transcriptome-wide association analyses reveal an overlap between the genetic basis of immune responses to SARS-CoV-2 and COVID-19 severity, providing insights into the factors contributing to current disparities in COVID-19 risk.

Abstract Four endemic human coronaviruses (HCoVs) are commonly associated with acute respiratory infection in humans. B cell responses to these “common cold” viruses remain incompletely understood. Here we report a comprehensive analysis of CoV-specific antibody repertoires in 231 children and 1168 adults using phage-immunoprecipitation sequencing. Seroprevalence of antibodies to endemic HCoVs ranged between ~4 and 27% depending on the species and cohort. We identified at least 136 novel linear B cell epitopes. Antibody repertoires against endemic HCoVs were qualitatively different between children and adults in that anti-HCoV IgG specificities more frequently found among children targeted functionally important and structurally conserved regions of the spike, nucleocapsid and matrix proteins. Moreover, antibody specificities targeting the highly conserved fusion peptide region and S2’ cleavage site of the spike protein were broadly cross-reactive with peptides of epidemic human and non-human coronaviruses. In contrast, an acidic tandem repeat in the N-terminal region of the Nsp3 subdomain of the HCoV-HKU1 polyprotein was the predominant target of antibody responses in adult donors. Our findings shed light on the dominant species-specific and pan-CoV target sites of human antibody responses to coronavirus infection, thereby providing important insights for the development of prophylactic or therapeutic monoclonal antibodies and vaccine design.

UNC93B1 is a transmembrane domain protein mediating the signaling of endosomal Toll-like receptors (TLRs). We report five families harboring rare missense substitutions (I317M, G325C, L330R, R466S, and R525P) in UNC93B1 causing systemic lupus erythematosus (SLE) or chilblain lupus (CBL) as either autosomal dominant or autosomal recessive traits. As for a D34A mutation causing murine lupus, we recorded a gain of TLR7 and, to a lesser extent, TLR8 activity with the I317M (in vitro) and G325C (in vitro and ex vivo) variants in the context of SLE. Contrastingly, in three families segregating CBL, the L330R, R466S, and R525P variants were isomorphic with respect to TLR7 activity in vitro and, for R525P, ex vivo. Rather, these variants demonstrated a gain of TLR8 activity. We observed enhanced interaction of the G325C, L330R, and R466S variants with TLR8, but not the R525P substitution, indicating different disease mechanisms. Overall, these observations suggest that UNC93B1 mutations cause monogenic SLE or CBL due to differentially enhanced TLR7 and TLR8 signaling.

ABSTRACT Ancient genomics can directly detect human genetic adaptation to environmental cues. However, it remains unclear how pathogens have exerted selective pressures on human genome diversity across different epochs and affected present-day inflammatory disease risk. Here, we use an ancestry-aware approximate Bayesian computation framework to estimate the nature, strength, and time of onset of selection acting on 2,879 ancient and modern European genomes from the last 10,000 years. We found that the bulk of genetic adaptation occurred after the start of the Bronze Age, <4,500 years ago, and was enriched in genes relating to host-pathogen interactions. Furthermore, we detected directional selection acting on specific leukocytic lineages and experimentally demonstrated that the strongest negatively selected immunity gene variant — the lipopolysaccharide-binding protein gene ( LBP ) D283G — is hypomorphic. Finally, our analyses suggest that the risk of inflammatory disorders has progressively increased in post-Neolithic Europeans, partly due to antagonistic pleiotropy following genetic adaptation to pathogens.

Summary Inborn errors of human IFN-γ immunity underlie mycobacterial disease. We report a patient with mycobacterial disease due to an inherited deficiency of the transcription factor T-bet. This deficiency abolishes the expression of T-bet target genes, including IFNG , by altering chromatin accessibility and DNA methylation in CD4 + T cells. The patient has profoundly diminished counts of mycobacterial-reactive circulating NK, invariant NKT (iNKT), mucosal-associated invariant T (MAIT), and Vδ2 + γδ T lymphocytes, and of non-mycobacterial-reactive classic T H 1 lymphocytes, the remainders of which also produce abnormally low amounts of IFN-γ. Other IFN-γ-producing lymphocyte subsets however develop normally, but with low levels of IFN-γ production, with exception of Vδ2 − γδ T lymphocytes, which produce normal amounts of IFN-γ in response to non-mycobacterial stimulation, and non-classic T H 1 (T H 1*) lymphocytes, which produce IFN-γ normally in response to mycobacterial antigens. Human T-bet deficiency thus underlies mycobacterial disease by preventing the development of, and IFN-γ production by, innate (NK) and innate-like adaptive lymphocytes (iNKT, MAIT, and Vδ2 + γδ T cells), with mycobacterial-specific, IFN-γ-producing, purely adaptive αβ T H 1* cells unable to compensate for this deficit.

Abstract Humans display vast clinical variability upon SARS-CoV-2 infection 1–3 , partly due to genetic and immunological factors 4 . However, the magnitude of population differences in immune responses to SARS-CoV-2 and the mechanisms underlying such variation remain unknown. Here we report single-cell RNA-sequencing data for peripheral blood mononuclear cells from 222 healthy donors of various ancestries stimulated with SARS-CoV-2 or influenza A virus. We show that SARS-CoV-2 induces a weaker, but more heterogeneous interferon-stimulated gene activity than influenza A virus, and a unique pro-inflammatory signature in myeloid cells. We observe marked population differences in transcriptional responses to viral exposure that reflect environmentally induced cellular heterogeneity, as illustrated by higher rates of cytomegalovirus infection, affecting lymphoid cells, in African-descent individuals. Expression quantitative trait loci and mediation analyses reveal a broad effect of cell proportions on population differences in immune responses, with genetic variants having a narrower but stronger effect on specific loci. Additionally, natural selection has increased immune response differentiation across populations, particularly for variants associated with SARS-CoV-2 responses in East Asians. We document the cellular and molecular mechanisms through which Neanderthal introgression has altered immune functions, such as its impact on the myeloid response in Europeans. Finally, colocalization analyses reveal an overlap between the genetic architecture of immune responses to SARS-CoV-2 and COVID-19 severity. Collectively, these findings suggest that adaptive evolution targeting immunity has also contributed to current disparities in COVID-19 risk.

ABSTRACT The detection of copy number variations (CNVs) in whole-exome sequencing (WES) data is important, as CNVs may underlie a number of human genetic disorders. The recently developed HMZDelFinder algorithm can detect rare homozygous and hemizygous (HMZ) deletions in WES data more effectively than other widely used tools. Here, we present HMZDelFinder_opt, an approach that outperforms HMZDelFinder for the detection of HMZ deletions, including partial exon deletions in particular, in typical laboratory cohorts that are generated over time under different experimental conditions. We show that using an optimized reference control set of WES data, based on a PCA-derived Euclidean distance for coverage, strongly improves the detection of HMZ deletions both in real patients carrying validated disease-causing deletions and in simulated data. Furthermore, we develop a sliding window approach enabling HMZDelFinder-opt to identify HMZ partial deletions of exons that are otherwise undiscovered by HMZDelFinder. HMZDelFinder_opt is a timely and powerful approach for detecting HMZ deletions, particularly partial exon deletions, in laboratory cohorts, which are typically heterogeneous.

Most cases of herpes simplex virus 1 (HSV-1) encephalitis (HSE) remain unexplained