Immune profiling of COVID-19 patients Coronavirus disease 2019 (COVID-19) has affected millions of people globally, yet how the human immune system responds to and influences COVID-19 severity remains unclear. Mathew et al. present a comprehensive atlas of immune modulation associated with COVID-19. They performed high-dimensional flow cytometry of hospitalized COVID-19 patients and found three prominent and distinct immunotypes that are related to disease severity and clinical parameters. Arunachalam et al. report a systems biology approach to assess the immune system of COVID-19 patients with mild-to-severe disease. These studies provide a compendium of immune cell information and roadmaps for potential therapeutic interventions. Science , this issue p. eabc8511 , p. 1210

A legacy of molecular evolution is the formation of gene families encoding proteins that often serve related functions. One such family gaining recent attention is the tetraspanin superfamily, whose membership has grown to nearly 20 known genes since its discovery in 1990. All encode cell-surface proteins that span the membrane four times, forming two extracellular loops. Some of these genes are found in organisms as primitive as schistosomes and nematodes. Alternately known as the transmembrane 4 (TM4) superfamily or the TM4SF, 4TM, or tetraspan family, we propose here that the name tetraspanins be used for the purpose of standardization. What do the tetraspanins do? Awaiting definitive functional studies, we can only put together pieces of a puzzle that has been built by raising antibodies against these proteins and looking at their distribution, associations, and functions. A brief overview indicates that some tetraspanins are found in virtually all tissues (CD81, CD82, CD9, CD63), whereas others are highly restricted, such as CD37 (B cells) or CD53 (lymphoid and myeloid cells). Many of these proteins have a flair for promiscuous associations with other molecules, including lineage-specific proteins, integrins, and other tetraspanins. In terms of function, they are involved in diverse processes such as cell activation and proliferation, adhesion and motility, differentiation, and cancer. We propose that these functions may all relate to their ability to act as "molecular facilitators," grouping specific cell-surface proteins and thus increasing the formation and stability of functional signaling complexes.

There is considerable heterogeneity in immunological parameters between individuals, but its sources are largely unknown. To assess the relative contribution of heritable versus non-heritable factors, we have performed a systems-level analysis of 210 healthy twins between 8 and 82 years of age. We measured 204 different parameters, including cell population frequencies, cytokine responses, and serum proteins, and found that 77% of these are dominated (>50% of variance) and 58% almost completely determined (>80% of variance) by non-heritable influences. In addition, some of these parameters become more variable with age, suggesting the cumulative influence of environmental exposure. Similarly, the serological responses to seasonal influenza vaccination are also determined largely by non-heritable factors, likely due to repeated exposure to different strains. Lastly, in MZ twins discordant for cytomegalovirus infection, more than half of all parameters are affected. These results highlight the largely reactive and adaptive nature of the immune system in healthy individuals.

Inhibition of the mammalian target of rapamycin (mTOR) pathway extends life span in all species studied to date, and in mice delays the onset of age-related diseases and comorbidities. However, it is unknown if mTOR inhibition affects aging or its consequences in humans. To begin to assess the effects of mTOR inhibition on human aging-related conditions, we evaluated whether the mTOR inhibitor RAD001 ameliorated immunosenescence (the decline in immune function during aging) in elderly volunteers, as assessed by their response to influenza vaccination. RAD001 enhanced the response to the influenza vaccine by about 20% at doses that were relatively well tolerated. RAD001 also reduced the percentage of CD4 and CD8 T lymphocytes expressing the programmed death-1 (PD-1) receptor, which inhibits T cell signaling and is more highly expressed with age. These results raise the possibility that mTOR inhibition may have beneficial effects on immunosenescence in the elderly.

One of the earliest events in programmed cell death is the externalization of phosphatidylserine, a membrane phospholipid normally restricted to the inner leaflet of the lipid bilayer. Annexin V, an endogenous human protein with a high affinity for membrane bound phosphatidylserine, can be used in vitro to detect apoptosis before other well described morphologic or nuclear changes associated with programmed cell death. We tested the ability of exogenously administered radiolabeled annexin V to concentrate at sites of apoptotic cell death in vivo . After derivatization with hydrazinonicotinamide, annexin V was radiolabeled with technetium 99m. In vivo localization of technetium 99m hydrazinonicotinamide-annexin V was tested in three models: fuminant hepatic apoptosis induced by anti-Fas antibody injection in BALB/c mice; acute rejection in ACI rats with transplanted heterotopic PVG cardiac allografts; and cyclophosphamide treatment of transplanted 38C13 murine B cell lymphomas. External radionuclide imaging showed a two- to sixfold increase in the uptake of radiolabeled annexin V at sites of apoptosis in all three models. Immunohistochemical staining of cardiac allografts for exogenously administered annexin V revealed intense staining of numerous myocytes at the periphery of mononuclear infiltrates of which only a few demonstrated positive apoptotic nuclei by the terminal deoxynucleotidyltransferase-mediated UTP end labeling method. These results suggest that radiolabeled annexin V can be used in vivo as a noninvasive means to detect and serially image tissues and organs undergoing programmed cell death.

Both genetics and environment contribute to human NK cell diversity.

The mechanisms contributing to clinical immune tolerance remain incompletely understood. This study provides evidence for specific immune mechanisms that are associated with a model of operationally defined clinical tolerance.

The emergency use authorization of two mRNA vaccines in less than a year from the emergence of SARS-CoV-2 represents a landmark in vaccinology1,2. Yet, how mRNA vaccines stimulate the immune system to elicit protective immune responses is unknown. Here we used a systems vaccinology approach to comprehensively profile the innate and adaptive immune responses of 56 healthy volunteers who were vaccinated with the Pfizer–BioNTech mRNA vaccine (BNT162b2). Vaccination resulted in the robust production of neutralizing antibodies against the wild-type SARS-CoV-2 (derived from 2019-nCOV/USA_WA1/2020) and, to a lesser extent, the B.1.351 strain, as well as significant increases in antigen-specific polyfunctional CD4 and CD8 T cells after the second dose. Booster vaccination stimulated a notably enhanced innate immune response as compared to primary vaccination, evidenced by (1) a greater frequency of CD14+CD16+ inflammatory monocytes; (2) a higher concentration of plasma IFNγ; and (3) a transcriptional signature of innate antiviral immunity. Consistent with these observations, our single-cell transcriptomics analysis demonstrated an approximately 100-fold increase in the frequency of a myeloid cell cluster enriched in interferon-response transcription factors and reduced in AP-1 transcription factors, after secondary immunization. Finally, we identified distinct innate pathways associated with CD8 T cell and neutralizing antibody responses, and show that a monocyte-related signature correlates with the neutralizing antibody response against the B.1.351 variant. Collectively, these data provide insights into the immune responses induced by mRNA vaccination and demonstrate its capacity to prime the innate immune system to mount a more potent response after booster immunization. Profiling the immune responses of 56 volunteers vaccinated with BNT162b2 reveals how this mRNA vaccine primes the innate immune system to mount a potent response to SARS-CoV-2 after booster immunization.

Abstract Epigenetic “clocks” can now surpass chronological age in accuracy for estimating biological age. Here, we use four such age estimators to show that epigenetic aging can be reversed in humans. Using a protocol intended to regenerate the thymus, we observed protective immunological changes, improved risk indices for many age‐related diseases, and a mean epigenetic age approximately 1.5 years less than baseline after 1 year of treatment (−2.5‐year change compared to no treatment at the end of the study). The rate of epigenetic aging reversal relative to chronological age accelerated from −1.6 year/year from 0–9 month to −6.5 year/year from 9–12 month. The GrimAge predictor of human morbidity and mortality showed a 2‐year decrease in epigenetic vs. chronological age that persisted six months after discontinuing treatment. This is to our knowledge the first report of an increase, based on an epigenetic age estimator, in predicted human lifespan by means of a currently accessible aging intervention.

Immune responses generally decline with age. However, the dynamics of this process at the individual level have not been characterized, hindering quantification of an individual's immune age. Here, we use multiple 'omics' technologies to capture population- and individual-level changes in the human immune system of 135 healthy adult individuals of different ages sampled longitudinally over a nine-year period. We observed high inter-individual variability in the rates of change of cellular frequencies that was dictated by their baseline values, allowing identification of steady-state levels toward which a cell subset converged and the ordered convergence of multiple cell subsets toward an older adult homeostasis. These data form a high-dimensional trajectory of immune aging (IMM-AGE) that describes a person's immune status better than chronological age. We show that the IMM-AGE score predicted all-cause mortality beyond well-established risk factors in the Framingham Heart Study, establishing its potential use in clinics for identification of patients at risk.