ABSTRACT Developing an efficacious vaccine to SARS-CoV-2 infection is critical to stem COVID-19 fatalities and providing the global community with immune protection. We have used a bioinformatic approach to aid in the design of an epitope peptide-based vaccine against the spike protein of the virus. Five antigenic B cell epitopes with viable antigenicity and a total of 27 discontinuous B cell epitopes were mapped out structurally in the spike protein for antibody recognition. We identified eight CD8 + T cell 9-mers along with 12 CD4 + T cell 14-15-mer as promising candidate epitopes putatively restricted by a large number of MHC-I and II alleles respectively. We used this information to construct an in silico chimeric peptide vaccine whose translational rate was highly expressed when cloned in pET28a (+) vector. The vaccine construct was predicted to elicit high antigenicity and cell-mediated immunity when given as a homologous prime-boost, with triggering of toll-like receptor 5 by the adjuvant linker. The vaccine was characterized by an increase in IgM and IgG and an array of Th1 and Th2 cytokines. Upon in silico challenge with SARS-CoV-2, there was a decrease in antigen levels using our immune simulations. We therefore propose that potential vaccine designs consider this approach.

Abstract crAssphages are a class of bacteriophages that are highly abundant in the human gastrointestinal tract. Accordingly, crAssphage genomes have been identified in most human fecal viral metagenome studies. However, we currently have an incomplete understanding of factors impacting the transmission frequencies of these phages between mothers and infants, and the evolutionary pressures associated with such transmissions. Here, we use metagenome sequencing of stool-associated virus-like particles to identify the prevalence of crAssphage across ten South African mother-infant dyads that are discordant for HIV infection. We report the identification of a complete 97kb crAssphage genome, parts of which are detected at variable levels across each mother-infant dyad. We observed average nucleotide sequence identities of >99% for crAssphages from related mother-infant pairs but ∼97% identities between crAssphages from unrelated mothers and infants: a finding strongly suggestive of vertical mother to infant transmission. We further analyzed patterns of nucleotide diversity across the crAssphage sequences described here, identifying particularly elevated positive selection in RNA polymerase and phage tail protein encoding genes, which we validated against a crAssphage genome from previous studies. Using 16S rRNA gene sequencing, we found that the relative abundances of Bacteroides thetaiotaomicron and Parabacteroides merdae (Order: Bacteroidales) were differentially correlated with crAssphage abundance. Together, our results reveal that crAssphages may be vertically transmitted from mothers to their infants and that hotspots of selection within crAssphage RNA polymerase and phage tail protein encoding genes are potentially mediated by interactions between crAssphages and their bacterial partners. Importance crAssphages are an ubiquitous member of the human gut microbiome and modulate interactions with key bacterial associates within the order Bacteroidales. However, the role of this interaction in the genomic evolution of crAssphage remains unclear. Across a longitudinally sampled cohort of ten South African mother-infant dyads, we use metagenome sequencing of the fecal virome and 16S rRNA gene sequencing of the fecal bacterial microbiota to elucidate the ecological and evolutionary dynamics of these interactions. Here, we demonstrate elevated levels of crAssphage average nucleotide identity between related mother-infant dyads as compared to unrelated individuals, suggesting vertical transmission. We report strong positive selection in crAssphage RNA polymerase and phage tail protein genes. Finally, we demonstrate that crAssphage abundance is linearly correlated (P < 0.014) with the abundance of two bacterial taxa, Bacteroides thetaiotaomicron and Parabacteroides merdae. These results suggest that phage-bacterial interactions may help shape ecological and evolutionary dynamics in the gut.

Abstract Determinants of the acquisition and maintenance of maternal microchimerism (MMc) during infancy and the impact of MMc on infant immune responses are unknown. We examined factors which influence MMc detection and level across infancy and the effect of MMc on T cell responses to BCG vaccination in a cohort of HIV exposed, uninfected and HIV unexposed infants in South Africa. MMc was measured in whole blood from 58 infants using a panel of quantitative PCR assays at day one and 7, 15, and 36 weeks of life. Infants received BCG at birth, and selected whole blood samples from infancy were stimulated in vitro with BCG and assessed for polyfunctional CD4+ T cell responses. MMc was present in most infants across infancy with levels ranging from 0-1,193/100,000 genomic equivalents and was positively impacted by absence of maternal HIV, maternal-infant HLA compatibility, infant female sex, and exclusive breastfeeding. Initiation of maternal antiretroviral therapy prior to pregnancy partially restored MMc level in HIV exposed, uninfected infants. Birth MMc was associated with an improved polyfunctional CD4+ T cell response to BCG. These data emphasize that both maternal and infant factors influence the level of MMc, which may subsequently impact infant T cell responses. Abstract Figure

Abstract As part of the CHAPS randomized clinical trial, we sequenced a segment of the bacterial 16S rRNA gene from foreskin tissue of 144 adolescents from South Africa and Uganda collected during surgical penile circumcision after receipt of 1 to 2 doses of placebo, emtricitabine with tenofovir disoproxil fumarate, or emtricitabine with tenofovir alafenamide. We found a large proportion of Corynebacterium in addition to other anaerobic species. Cutibacterium acnes was more abundant among participants from South Africa than Uganda, though this made no difference in surgical recovery. We did not find a difference in bacterial populations by treatment received nor bacterial taxa that were differentially abundant between participants who received placebo versus active drug. Using RNAseq libraries from foreskin tissue of the same participants, we found negative correlations between the relative abundance of bacterial taxa and the expression of genes downstream of the innate response to bacteria and regulation of the inflammatory response. When participants were divided into clusters based on bacterial community composition, two main clusters emerged which were distinguished by high and low bacterial diversity. Random forest classification showed higher expression of NFATC3 and SELENOS and lower expression of STAP1 and NLRP6 in the higher diversity group compared to the lower. Our results show no difference in the tissue microbiome of the foreskin with short-course PrEP but that bacterial taxa were largely inversely correlated with gene expression, consistent with non-inflammatory colonization. Author Summary We investigated the bacterial community of the foreskin of the penis. Previous studies found increased inflammation with certain anaerobic bacteria from swabs taken under the foreskin, but we found that higher relative abundances of the bacteria were correlated with lower expression of inflammatory genes. We did not find different bacteria in participants who received medicine to prevent HIV. Understanding the relationship between bacteria and inflammation in the penis will help us to understand how interventions like penile circumcision reduce the risk of acquiring sexually transmitted infections such as HIV.

While preventing vertical HIV transmission has been very successful, the increasing number of HIV-exposed uninfected infants (iHEU) experience an elevated risk to infections compared to HIV-unexposed and uninfected infants (iHUU). Immune developmental differences between iHEU and iHUU remains poorly understood and here we present a longitudinal multimodal analysis of infant immune ontogeny that highlights the impact of HIV/ARV exposure. Using mass cytometry, we show alterations and differences in the emergence of NK cell populations and T cell memory differentiation between iHEU and iHUU. Specific NK cells observed at birth were also predictive of acellular pertussis and rotavirus vaccine-induced IgG and IgA responses, respectively, at 3 and 9 months of life. T cell receptor Vβ clonotypic diversity was significantly and persistently lower in iHEU preceding the expansion of T cell memory. Our findings show that HIV/ARV exposure disrupts innate and adaptive immunity from birth which may underlie relative vulnerability to infections.

ABSTRACT Langerhans cells (LCs) reside in the epidermis as a dense network of immune system sentinels, coordinating both immunogenic and tolerogenic immune responses. To determine molecular switches directing induction of LC immune activation, we performed mathematical modelling of gene regulatory networks identified by single cell RNA sequencing of LCs exposed to TNF, a key pro-inflammatory signal produced by the skin. Our approach delineated three programmes of LC phenotypic activation (immunogenic, tolerogenic or ambivalent), and confirmed that TNF enhanced LC immunogenic programming. Through regulon analysis followed by mutual information modelling, we identified IRF1 as the key transcription factor for the regulation of immunogenicity in LCs. Application of a mathematical toggle switch model, coupling IRF1 with tolerance-inducing transcription factors, determined the key set of transcription factors regulating the switch between tolerance and immunogenicity, and correctly predicted LC behaviour in LCs derived from different body sites. Our findings provide a mechanistic explanation of how combinatorial interactions between different transcription factors can coordinate specific transcriptional programmes in human LCs, interpreting the microenvironmental context of the local tissue microenvironments.

Abstract Few studies have investigated immune cell ontogeny throughout the neonatal and early paediatric period, where there is often increased vulnerability to infections. Here, we evaluated the dynamics of two critical T cell populations, regulatory (Treg) cells and Th17 cells, over the first 36 weeks of life. Firstly, we observed distinct CD4 + T cells phenotypes between cord blood and peripheral blood, collected within 12 hours of birth, showing that cord blood is not a surrogate for newborn blood. Secondly, both Treg and Th17 cells expanded in a synchronous fashion over 36 weeks of life. However, comparing infants exposed to HIV in utero , but remaining uninfected (iHEU), with HIV-unexposed uninfected control infants (iHUU), there was a lower frequency of peripheral blood Treg cells at birth, resulting in a delayed expansion, and then declining again at 36 weeks. Focusing on birth events, we found that Treg cells co-expressing CCR4 and α4β7 inversely correlated with plasma concentrations of CCL17 (the ligand for CCR4) and intestinal fatty acid binding protein (iFABP), IL-7 and CCL20. This was in contrast to Th17 cells, which showed a positive association with these plasma analytes. Thus, despite the stereotypic expansion of both cell subsets over the first few months of life, there was a disruption in the balance of Th17 to Treg cells at birth likely being a result of gut damage and homing of newborn Treg cells from the blood circulation to the gut. Key points Phenotypic differences between cord and birth peripheral blood CD4 cells. Synchronous increase of Th17-Treg cells is disrupted by HIV/ART exposure. Intrauterine HIV exposure was associated with epithelial gut damage.

Abstract Infants exposed to HIV but uninfected (iHEU) display altered cellular immunity and are at increased risk of infection through poorly understood mechanisms. We previously reported that iHEU have lower levels of maternal microchimerism (MMc), maternal cells transferred to the offspring in utero/during breastfeeding. We evaluated MMc levels in T cell subsets in iHEU and HIV unexposed infants (iHU) to determine whether a selective deficiency in MMc may contribute to altered cellular immunity. Across all infants, MMc levels were highest in CD8+ T cells; however, the level of MMc in the CD8 T cell subset was significantly lower in iHEU compared to iHU.

Abstract The improvement of next-generation sequencing technologies has promoted the field of immunogenetics and produced numerous immunogenomics data. Modern data-driven research has the power to promote novel biomedical discoveries through secondary analysis of such data. Therefore, it is important to ensure data-driven research with great reproducibility and robustness for promoting a precise and accurate secondary analysis of the immunogenomics data. In scientific research, rigorous conduct in designing and conducting experiments is needed, specifically in scientific and articulate writing, reporting and interpreting results. It is also crucial to make raw data available, discoverable, and well described or annotated in order to promote future re-analysis of the data. In order to assess the data availability of published T cell receptor (TCR) repertoire data, we examined 11,918 TCR-Seq samples corresponding to 134 TCR-Seq studies ranging from 2006 to 2022. Among the 134 studies, only 38.1% had publicly available raw TCR-Seq data shared in public repositories. We also found a statistically significant association between the presence of data availability statements and the increase in raw data availability (p=0.014). Yet, 46.8% of studies with data availability statements failed to share the raw TCR-Seq data. There is a pressing need for the biomedical community to increase awareness of the importance of promoting raw data availability in scientific research and take immediate action to improve its raw data availability enabling cost-effective secondary analysis of existing immunogenomics data by the larger scientific community.