A feature of many successful vaccines is the induction of memory B cells and long-lived plasma cells that can secrete neutralizing antibodies for a lifetime. The mechanisms that stimulate such persistent responses remain poorly understood. Bali Pulendran and colleagues show that nanoparticles containing two Toll-like receptor ligands, proteins with important roles in innate immunity, can boost the magnitude and persistence of vaccine-elicited antibody responses in primates, improving vaccine-mediated protection against influenza virus. Here it is shown that nanoparticles containing two Toll-like receptor ligands can boost the magnitude and persistence of vaccine-elicited antibody responses in primates, improving vaccine-mediated protection against influenza virus. Many successful vaccines induce persistent antibody responses that can last a lifetime. The mechanisms by which they do so remain unclear, but emerging evidence indicates that they activate dendritic cells via Toll-like receptors (TLRs)1,2. For example, the yellow fever vaccine YF-17D, one of the most successful empiric vaccines ever developed3, activates dendritic cells via multiple TLRs to stimulate proinflammatory cytokines4,5. Triggering specific combinations of TLRs in dendritic cells can induce synergistic production of cytokines6, which results in enhanced T-cell responses, but its impact on antibody responses remain unknown. Learning the critical parameters of innate immunity that program such antibody responses remains a major challenge in vaccinology. Here we demonstrate that immunization of mice with synthetic nanoparticles containing antigens plus ligands that signal through TLR4 and TLR7 induces synergistic increases in antigen-specific, neutralizing antibodies compared to immunization with nanoparticles containing antigens plus a single TLR ligand. Consistent with this there was enhanced persistence of germinal centres and of plasma-cell responses, which persisted in the lymph nodes for >1.5 years. Surprisingly, there was no enhancement of the early short-lived plasma-cell response relative to that observed with single TLR ligands. Molecular profiling of activated B cells, isolated 7 days after immunization, indicated that there was early programming towards B-cell memory. Antibody responses were dependent on direct triggering of both TLRs on B cells and dendritic cells, as well as on T-cell help. Immunization protected completely against lethal avian and swine influenza virus strains in mice, and induced robust immunity against pandemic H1N1 influenza in rhesus macaques.

Here we have used a systems biology approach to study innate and adaptive responses to vaccination against influenza in humans during three consecutive influenza seasons. We studied healthy adults vaccinated with trivalent inactivated influenza vaccine (TIV) or live attenuated influenza vaccine (LAIV). TIV induced higher antibody titers and more plasmablasts than LAIV did. In subjects vaccinated with TIV, early molecular signatures correlated with and could be used to accurately predict later antibody titers in two independent trials. Notably, expression of the kinase CaMKIV at day 3 was inversely correlated with later antibody titers. Vaccination of CaMKIV-deficient mice with TIV induced enhanced antigen-specific antibody titers, which demonstrated an unappreciated role for CaMKIV in the regulation of antibody responses. Thus, systems approaches can be used to predict immunogenicity and provide new mechanistic insights about vaccines.

Pulendran and colleagues use a systems biology analysis to reveal distinct transcriptional signatures of antibody responses to different classes of human vaccines. Many vaccines induce protective immunity via antibodies. Systems biology approaches have been used to determine signatures that can be used to predict vaccine-induced immunity in humans, but whether there is a 'universal signature' that can be used to predict antibody responses to any vaccine is unknown. Here we did systems analyses of immune responses to the polysaccharide and conjugate vaccines against meningococcus in healthy adults, in the broader context of published studies of vaccines against yellow fever virus and influenza virus. To achieve this, we did a large-scale network integration of publicly available human blood transcriptomes and systems-scale databases in specific biological contexts and deduced a set of transcription modules in blood. Those modules revealed distinct transcriptional signatures of antibody responses to different classes of vaccines, which provided key insights into primary viral, protein recall and anti-polysaccharide responses. Our results elucidate the early transcriptional programs that orchestrate vaccine immunity in humans and demonstrate the power of integrative network modeling.

Circular RNAs (circRNAs) are prevalent in eukaryotic cells and viral genomes. Mammalian cells possess innate immunity to detect foreign circRNAs, but the molecular basis of self versus foreign identity in circRNA immunity is unknown. Here, we show that N6-methyladenosine (m6A) RNA modification on human circRNAs inhibits innate immunity. Foreign circRNAs are potent adjuvants to induce antigen-specific T cell activation, antibody production, and anti-tumor immunity in vivo, and m6A modification abrogates immune gene activation and adjuvant activity. m6A reader YTHDF2 sequesters m6A-circRNA and is essential for suppression of innate immunity. Unmodified circRNA, but not m6A-modified circRNA, directly activates RNA pattern recognition receptor RIG-I in the presence of lysine-63-linked polyubiquitin chain to cause filamentation of the adaptor protein MAVS and activation of the downstream transcription factor IRF3. CircRNA immunity has considerable parallel to prokaryotic DNA restriction modification system that transforms nucleic acid chemical modification into organismal innate immunity.

The mammalian target of rapamycin pathway regulates many essential cellular responses. Pulendran and colleagues show that this pathway is required for Toll-like receptor–mediated production of type I interferon by plasmacytoid dendritic cells. Robust production of type I interferon (IFN-α/β) in plasmacytoid dendritic cells (pDCs) is crucial for antiviral immunity. Here we show involvement of the mammalian target of rapamycin (mTOR) pathway in regulating interferon production by pDCs. Inhibition of mTOR or its 'downstream' mediators, the p70 ribosomal S6 protein kinases p70S6K1 and p70S6K2, during pDC activation by Toll-like receptor 9 (TLR9) blocked the interaction of TLR9 with the adaptor MyD88 and subsequent activation of the interferon-regulatory factor IRF7, which resulted in impaired IFN-α/β production. Microarray analysis confirmed that inhibition of mTOR by the immunosuppressive drug rapamycin suppressed antiviral and anti-inflammatory gene expression. Consistent with this, targeting rapamycin-encapsulated microparticles to antigen-presenting cells in vivo resulted in less IFN-α/β production in response to CpG DNA or the yellow fever vaccine virus strain 17D. Thus, mTOR signaling is crucial in TLR-mediated IFN-α/β responses by pDCs.

Significantly higher levels of plasma CXCL13 [chemokine (C-X-C motif) ligand 13] were associated with the generation of broadly neutralizing antibodies (bnAbs) against HIV in a large longitudinal cohort of HIV-infected individuals. Germinal centers (GCs) perform the remarkable task of optimizing B-cell Ab responses. GCs are required for almost all B-cell receptor affinity maturation and will be a critical parameter to monitor if HIV bnAbs are to be induced by vaccination. However, lymphoid tissue is rarely available from immunized humans, making the monitoring of GC activity by direct assessment of GC B cells and germinal center CD4(+) T follicular helper (GC Tfh) cells problematic. The CXCL13-CXCR5 [chemokine (C-X-C motif) receptor 5] chemokine axis plays a central role in organizing both B-cell follicles and GCs. Because GC Tfh cells can produce CXCL13, we explored the potential use of CXCL13 as a blood biomarker to indicate GC activity. In a series of studies, we found that plasma CXCL13 levels correlated with GC activity in draining lymph nodes of immunized mice, immunized macaques, and HIV-infected humans. Furthermore, plasma CXCL13 levels in immunized humans correlated with the magnitude of Ab responses and the frequency of ICOS(+) (inducible T-cell costimulator) Tfh-like cells in blood. Together, these findings support the potential use of CXCL13 as a plasma biomarker of GC activity in human vaccine trials and other clinical settings.

Abstract Type-I interferons (IFN-I) are critical mediators of innate control of viral infections, but also drive recruitment of inflammatory cells to sites of infection, a key feature of severe COVID-19. Here, and for the first time, IFN-I signaling was modulated in rhesus macaques (RMs) prior to and during acute SARS-CoV-2 infection using a mutated IFNα2 (IFN-modulator; IFNmod), which has previously been shown to reduce the binding and signaling of endogenous IFN-I. In SARS-CoV-2-infected RMs, IFNmod reduced both antiviral and inflammatory ISGs. Notably, IFNmod treatment resulted in a potent reduction in (i) SARS-CoV-2 viral load in Bronchoalveolar lavage (BAL), upper airways, lung, and hilar lymph nodes; (ii) inflammatory cytokines, chemokines, and CD163+MRC1-inflammatory macrophages in BAL; and (iii) expression of Siglec-1, which enhances SARS-CoV-2 infection and predicts disease severity, on circulating monocytes. In the lung, IFNmod also reduced pathogenesis and attenuated pathways of inflammasome activation and stress response during acute SARS-CoV-2 infection. This study, using an intervention targeting both IFN-α and IFN-β pathways, shows that excessive inflammation driven by type 1 IFN critically contributes to SARS-CoV-2 pathogenesis in RMs, and demonstrates the potential of IFNmod to limit viral replication, SARS-CoV-2 induced inflammation, and COVID-19 severity.