The severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) pandemic has dramatically expedited global vaccine development efforts1–3, most targeting the viral 'spike' glycoprotein (S). S localizes on the virion surface and mediates recognition of cellular receptor angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2)4–6. Eliciting neutralizing antibodies that block S–ACE2 interaction7–9, or indirectly prevent membrane fusion10, constitute an attractive modality for vaccine-elicited protection11. However, although prototypic S-based vaccines show promise in animal models12–14, the immunogenic properties of S in humans are poorly resolved. In this study, we characterized humoral and circulating follicular helper T cell (cTFH) immunity against spike in recovered patients with coronavirus disease 2019 (COVID-19). We found that S-specific antibodies, memory B cells and cTFH are consistently elicited after SARS-CoV-2 infection, demarking robust humoral immunity and positively associated with plasma neutralizing activity. Comparatively low frequencies of B cells or cTFH specific for the receptor binding domain of S were elicited. Notably, the phenotype of S-specific cTFH differentiated subjects with potent neutralizing responses, providing a potential biomarker of potency for S-based vaccines entering the clinic. Overall, although patients who recovered from COVID-19 displayed multiple hallmarks of effective immune recognition of S, the wide spectrum of neutralizing activity observed suggests that vaccines might require strategies to selectively target the most potent neutralizing epitopes. In a cohort of recovered patients with COVID-19, virus spike-specific antibodies were consistently elicited, but neutralizing activity was highly variable and inversely correlated with the proportion of CCR6+CXCR3− spike-specific circulating follicular helper T cells.

The durability of infection-induced SARS-CoV-2 immunity has major implications for reinfection and vaccine development. Here, we show a comprehensive profile of antibody, B cell and T cell dynamics over time in a cohort of patients who have recovered from mild-moderate COVID-19. Binding and neutralising antibody responses, together with individual serum clonotypes, decay over the first 4 months post-infection. A similar decline in Spike-specific CD4+ and circulating T follicular helper frequencies occurs. By contrast, S-specific IgG+ memory B cells consistently accumulate over time, eventually comprising a substantial fraction of circulating the memory B cell pool. Modelling of the concomitant immune kinetics predicts maintenance of serological neutralising activity above a titre of 1:40 in 50% of convalescent participants to 74 days, although there is probably additive protection from B cell and T cell immunity. This study indicates that SARS-CoV-2 immunity after infection might be transiently protective at a population level. Therefore, SARS-CoV-2 vaccines might require greater immunogenicity and durability than natural infection to drive long-term protection.

Abstract Influenza imparts an age-related increase in mortality and morbidity. The most effective countermeasure is vaccination; however, vaccines offer modest protection in older adults. To investigate how ageing impacts the memory B cell response we tracked haemagglutinin specific B cells by indexed flow sorting and single cell RNA sequencing in twenty healthy adults administered the trivalent influenza vaccine. We found age-related skewing in the memory B cell compartment six weeks after vaccination, with younger adults developing haemagglutinin specific memory B cells with an FCRL5 + “atypical” phenotype, showing evidence of somatic hypermutation and positive selection, which happened to a lesser extent in older persons. We confirmed the germinal center ancestry of these FCRL5 + “atypical” memory B cells using scRNASeq from fine needle aspirates of influenza responding human lymph nodes and paired blood samples. Together, this study shows that the aged human germinal center reaction and memory B cell response following vaccination is defective. Summary Immune responses to vaccination wane with age. Using single cell RNA sequencing of influenza vaccine specific B cells, this study delineates changes in B cell memory generation, antibody mutation and their subsequent selection in older persons.

Abstract Influenza exposures early in life are believed to shape future susceptibility to influenza infections by imprinting immunological biases that engender differential cross-reactivity to future influenza viruses, but direct serological evidence linked to susceptibility is limited. We analysed hemagglutination-inhibition titres in 1451 cross-sectional samples collected between 1992-2020, from individuals born between 1917-2008, against influenza B virus (IBV) isolates from 1940-2021, including ‘future’ isolates that circulated after sample collection. We demonstrate that immunological biases are conferred by early life IBV infection and result in lineage-specific cross-reactivity of a birth cohort towards future IBV isolates. This translates into differential estimates of susceptibility between birth cohorts towards the two IBV antigenic lineages, explaining lineage-specific age distributions of observed medically attended IBV infections. Our data bridge a critical gap between early life exposure, cross-reactivity, and influenza epidemiology and identify a plausible model to further dissect the interplay between host immunity, viral evolution and epidemiology.

Influenza exposures early in life are believed to shape future susceptibility to influenza infections by imprinting immunological biases that affect cross-reactivity to future influenza viruses. However, direct serological evidence linked to susceptibility is limited. Here we analysed haemagglutination-inhibition titres in 1,451 cross-sectional samples collected between 1992 and 2020, from individuals born between 1917 and 2008, against influenza B virus (IBV) isolates from 1940 to 2021. We included testing of 'future' isolates that circulated after sample collection. We show that immunological biases are conferred by early life IBV infection and result in lineage-specific cross-reactivity of a birth cohort towards future IBV isolates. This translates into differential estimates of susceptibility between birth cohorts towards the B/Yamagata and B/Victoria lineages, predicting lineage-specific birth-cohort distributions of observed medically attended IBV infections. Our data suggest that immunological measurements of imprinting could be important in modelling and predicting virus epidemiology. Differential cross-reactivity to haemagglutinin of various influenza B viruses shows lineage-specific susceptibility that varies between birth cohorts and was determined by early exposure to specific strains.

Abstract Characterisation of germinal centre B and T cell responses yields critical insights into vaccine immunogenicity. Non-human primates are a key pre-clinical animal model for human vaccine development, allowing both lymph node and circulating immune responses to be longitudinally sampled for correlates of vaccine efficacy. However, patterns of vaccine antigen drainage via the lymphatics after intramuscular immunisation can be stochastic, driving uneven deposition between lymphoid sites, and between individual lymph nodes within larger clusters. In order to improve the accurate isolation of antigen-exposed lymph nodes during biopsies and necropsies, we developed and validated a method for co-formulating candidate vaccines with tattoo ink, which allows for direct visual identification of vaccine-draining lymph nodes and evaluation of relevant antigen-specific B and T cell responses by flow cytometry. This approach improves the assessment of vaccine-induced immunity in highly relevant non-human primate models.

Abstract While the protective role of neutralising antibodies against COVID-19 is well-established, questions remain about the relative importance of cellular immunity. Using 6 pMHC-multimers in a cohort with early and frequent sampling we define the phenotype and kinetics of recalled and primary T cell responses following Delta or Omicron breakthrough infection. Recall of spike-specific CD4 + T cells was rapid, with cellular proliferation and extensive activation evident as early as 1 day post-symptom onset. Similarly, spike-specific CD8 + T cells were rapidly activated but showed variable levels of expansion. Strikingly, high levels of SARS-CoV-2-specific CD8 + T cell activation at baseline and peak were strongly correlated with reduced peak SARS-CoV-2 RNA levels in nasal swabs and accelerated clearance of virus. Our study demonstrates rapid and extensive recall of memory T cell populations occurs early after breakthrough infection and suggests that CD8 + T cells contribute to the control of viral replication in breakthrough SARS-CoV-2 infections.

Summary SARS-CoV-2 vaccines are advancing into human clinical trials, with emphasis on eliciting high titres of neutralising antibodies against the viral spike (S). However, the merits of broadly targeting S versus focusing antibody onto the smaller receptor binding domain (RBD) are unclear. Here we assessed prototypic S and RBD subunit vaccines in homologous or heterologous prime-boost regimens in mice and non-human primates. We find S is highly immunogenic in mice, while the comparatively poor immunogenicity of RBD was associated with limiting germinal centre and T follicular helper cell activity. Boosting S-primed mice with either S or RBD significantly augmented neutralising titres, with RBD-focussing driving moderate improvement in serum neutralisation. In contrast, both S and RBD vaccines were comparably immunogenic in macaques, eliciting serological neutralising activity that generally exceed levels in convalescent humans. These studies confirm recombinant S proteins as promising vaccine candidates and highlight multiple pathways to achieving potent serological neutralisation.

Abstract The full diversity of the circulating human B cell compartment is unknown. Flow cytometry analysis suggests that in addition to naïve and memory B cells, there exists a population of CD11c + , CD27 − CD21 − “atypical” B cells, that are associated with chronic or recurrent infection and autoimmunity. We used single cell RNA-seq approaches to examine the diversity of both antigen-specific B cells and total B cells in healthy subjects and individuals naturally-exposed to recurrent malaria infections. This analysis revealed two B cell lineages: a classical lineage of activated and resting memory B cells, and an atypical-like lineage. Surprisingly, the atypical lineage was common in both malaria exposed individuals and non-exposed healthy controls. Using barcoded antibodies in conjunction with our transcriptomic data, we found that atypical lineage cells in healthy individuals lack many atypical B markers and thus represent an undercounted cryptic population. We further determined using antigen specific probes that atypical cells can be induced by primary vaccination in humans and can be recalled upon boosting. Collectively these data suggest that atypical cells are not necessarily pathogenic but can be a normal component of B responses to antigen.

Abstract The COVID-19 pandemic has illustrated the potential for monoclonal antibody therapeutics as prophylactic and therapeutic agents against pandemic viruses. No such therapeutics currently exist for other human coronaviruses. NL63 is a human alphacoronavirus that typically causes the common cold and uses the same receptor, ACE2, as the highly pathogenic SARS-CoV and SARS-CoV-2 pandemic viruses. In a cohort of healthy adults, we characterised humoral responses against the NL63 spike protein. While NL63 spike and receptor binding domain-specific binding antibodies and neutralisation activity could be detected in plasma of all subjects, memory B cells against NL63 spike were variable and relatively low in frequency compared to that against SARS-CoV-2 spike. From these donors, we isolated a panel of antibodies against NL63 spike and characterised their neutralising potential. We identified potent neutralising antibodies that recognised the receptor binding domain (RBD) and other non-RBD epitopes within spike.